LED e lampada in serie: perché la lampadina non si accende?

Mio figlio di 6 anni ha appena iniziato a sperimentare un kit in stile Snap Circuits e già abbiamo una domanda molto semplice.

Se disponiamo un LED e una lampada in parallelo alimentati da batterie, sia il LED che la lampada si illuminano intensamente.

Tuttavia, se disponiamo il LED e la lampada in serie, si accende solo il LED.

Ovviamente la corrente passa attraverso la lampada (se svito la lampadina il LED si spegne).

Quindi perché la lampadina non si accende?

Sono un po 'un cheapskate, quindi piuttosto che acquistare i circuiti Snap adeguati ho comprato un set generico simile dalla Cina su eBay (Vedi: Electronic Blocks Kit W-58 )

(Mi scuso se questo è troppo semplice per questo forum ma non ho ancora trovato la risposta tramite Google)

Per il LED e la lampada collegati in parallelo, ciascuno ha l'intera tensione della batteria.

Quando le serie sono collegate, la tensione attraverso ciascuna deve sommarsi alla tensione della batteria.

Senza più informazioni di quelle fornite, la risposta più probabile è che la tensione attraverso la lampada, che deve essere uguale alla tensione della batteria meno la tensione attraverso il LED, è insufficiente per produrre luce visibile.

Durante la digitazione di questa risposta, vedo che hai aggiunto alcune immagini. Sembra che la tensione totale della batteria sia di circa 3 V. Dato che molti LED hanno una tensione diretta superiore a 2 V, questo lascia meno di 1 V sul bulbo.

Hai un voltmetro con il tuo kit? In tal caso, misurare la tensione attraverso la lampada per il collegamento in serie.

Il LED fa cadere così tanta tensione che rimane molto poco per la lampadina.

Hai solo due batterie da 1,5 V che, in serie, sono appena sufficienti per la tensione diretta del LED.

Le lampadine a incandescenza si attenuano rapidamente quando si riduce la potenza che dissipano: la potenza è una tensione al quadrato, divisa per la resistenza.

Proprio per questo, l'oscuramento delle lampadine a incandescenza non consente di risparmiare molta energia. Solo una piccola riduzione frazionaria della potenza dissipata oscura quasi completamente una lampadina.

I filamenti generano principalmente calore e solo una piccola frazione come luce visibile. Questo è molto sensibile alla temperatura, che è molto sensibile alla potenza dissipata.

Prova a guardare la lampada in una stanza buia; potresti essere in grado di vedere un debole bagliore rosso. Inoltre, la luce del LED potrebbe impedirti di vedere qualsiasi debole bagliore emesso dalla lampadina, anche in una stanza buia. Copri anche il LED.

DEVE esserci una resistenza in serie con il LED. Un LED è un diodo e i diodi aumentano rapidamente la corrente che passano quando la tensione applicata sale sopra un certo punto, ben al di sotto di 3 V. Quindi, senza un resistore che limita la corrente, il LED passerebbe così tanta corrente da bruciare.

Le risposte precedenti che dicono che il LED cala la tensione sono corrette, ma la caduta è attraverso la combinazione del LED e della resistenza nascosta. La lampadina aggiunge solo un po 'più di resistenza, il che riduce un po' la corrente ma rende il LED solo un po 'più fioco. Ma la lampadina viene derubata della minima tensione che deve accendere.

Un ulteriore fattore interessante è che la resistenza del filamento della lampada a incandescenza a freddo è all'incirca 1/10 della sua resistenza a caldo.

Invece di 10 ohm, la lampada fredda spenta è probabilmente più vicina a 1 ohm.

$P = I^2 \cdot R$

La lampada della serie è poco più di un pezzettino di filo che completa il circuito di illuminazione a LED.

D'altra parte, la caratteristica del coefficiente di temperatura positiva delle lampade a incandescenza può essere utile; vedere i primi oscillatori audio HP e leggere gli oscillatori a ponte Wien .

Ottima domanda! È parallelo rispetto ai circuiti di serie, come notato. In parallelo, sia la lampada che i moduli LED ottengono 3 Volt completi. In serie, devono condividere i 3 Volt, quindi ognuno ne ottiene alcuni. Se fosse 2 dello stesso tipo di lampadina, ognuno otterrebbe 1/2 della tensione. 3 lampadine in serie, ognuna prende 1/3 e così via. Il modulo LED lo rende più complesso. Ma prima facciamo il problema più grande.

$\dfrac{E}{I}=R$$\dfrac{3V}{0.3A} = 10 \Omega$

$\dfrac{V}{A}=R$$\dfrac{1}{V}: \dfrac{V}{AV}=\dfrac{R}{V}$$\dfrac{V}{V}$$\dfrac{1}{A}=\dfrac{R}{V}$$A=\dfrac{V}{R}$$10 \Omega + 10 \Omega = 20 \Omega$$\dfrac{3V}{20\Omega} = .150A$$RA=V$$10 \Omega \times .15 A = 1.5 V$

$A=\dfrac{3V - 1.xV}{10 + 33 \Omega}$$\dfrac{1.9V}{43 \Omega}$$\dfrac{1.1V}{43 \Omega}$

A scopo di discussione, i LED rossi hanno una caduta di tensione diretta di 1. (qualcosa) volt, il verde è di circa 2 Volt, il blu ancora più in alto. Naturalmente hanno valori di resistenza finiti, ma è più facile pensarli semplicemente rimuovendo quella tensione fissa. La corrente può quindi essere calcolata come la tensione rimanente attraverso il resistore. Se non c'è un resistore, ci deve essere un modo più elaborato per limitare la corrente.

Per maggiore divertimento, metti un motore elettrico di dimensioni adeguate in serie con una lampadina, nota quanto è luminosa la lampadina, quindi metti una sorta di carico sul motore: un dito che preme delicatamente, una pala della ventola o una pala per spostare l'aria, ecc. Vedi eventuali cambiamenti?

Un modo per visualizzare e quindi capire cosa sta succedendo nel circuito, essendo questa una spiegazione o un'analogia molto semplificata, sarebbe pensare che il LED non passi abbastanza corrente per accendere la lampada. In parole povere, ha molta più resistenza rispetto alla lampada in sostanza. Se si posizionassero in serie due lampade di tipo identico, entrambe dovrebbero accendersi in modo altrettanto luminoso, tanto luminoso quanto la corrente fornita dall'alimentatore consentito, come un'analogia molto semplice, due lampade a 115 volt CA dello stesso wattaggio poste in serie richiederebbero + - 230 Volt per illuminare completamente.

Tuttavia, il LED ha una resistenza molto maggiore rispetto alla lampada, o più precisamente è un semiconduttore e presenta una caduta di tensione diretta.

Semplificato: una caduta di tensione diretta sul LED di circa 2 volt a circa 20 mA, (non riesco a ricordare i numeri precisi in questo momento) e che sembra essere una configurazione della batteria da 3 volt, che lascerebbe solo circa un volt per la lampada. Inoltre il LED non passerà abbastanza corrente per riscaldare il filamento (che è classificato come un induttore e il LED un semiconduttore, quindi la mia analogia è imprecisa), ma probabilmente la lampada non si illuminerebbe completamente anche se la tensione fornita fosse più alta per compensare per la caduta di tensione diretta del LED.

Spero che abbia un senso. Mi scuso se no, ma sono affrettato e ho visto questo solo mentre stavo per scendere dalla linea e fare qualcos'altro.

La tua domanda mi ricorda un esperimento simile in cui due lampade di potenza diversa ma identiche sono collegate in serie. Una tensione doppia rispetto a una delle lampade viene improvvisamente applicata alla disposizione - basta guardare cosa succede. Nella scelta della tensione, tenere presente la sicurezza elettrica. Le lampade classificate a 6 volt funzionerebbero bene. Suggerirebbe che una lampadina di stop / luce di posizione a 6 volt andrebbe bene. Questo esperimento è stato utilizzato in un esame pratico di fisica "A" GCE circa 30 anni fa!

Un'altra cosa che potresti provare è collegare diverse lampade a filamento da 240 volt con gusci di vetro trasparente a 12 volt - se ricordo bene le lampade da 25 watt funzionano bene e daranno un leggero bagliore di filamento che è molto piacevole da vedere. Ancora una volta, si prega di essere consapevoli della sicurezza elettrica.

Per un momento ignorerò le cadute di tensione e le spiegherò in termini di corrente.

Se posizionata in serie con il LED, anche la corrente che passa attraverso il LED passa attraverso la lampadina, ma il calore che entra nel filamento (corrente quadrata, moltiplicata per la resistenza della lampadina) è insufficiente affinché il filamento diventi abbastanza caldo da produrre luce visibile .

La luce del LED è approssimativamente proporzionale alla corrente che la attraversa ， mentre la luminosità della lampadina (per una lampadina debole / sotto-alimentata!) Ha una proporzionalità più vicina al cubo della corrente di ingresso. Se si mette una lampada a "chicco di grano" (20ma), in serie con il LED, e si regola la corrente, questo diventerà chiaro.

Ora per un po 'di fisica: le batterie rappresentano una fonte di tensione quasi ideale, questo perché all'interno della batteria c'è una reazione chimica che sposta gli elettroni dal catodo (+) all'anodo (-) fino a quando la differenza potenziale tra i due terminali raggiunge l'apertura -tensione del circuito. Chiamerò questo Vbatt.

Quando viene stabilita una connessione elettrica tra i due terminali, gli elettroni scorrono nella connessione esterna dal terminale (-) a (+) a causa di questa potenziale differenza, creando un "circuito" di elettroni. Questo flusso di elettroni riduce la differenza di potenziale tra i terminali, facendo accelerare la reazione e fornendo più elettroni e la corrente aumenta. Mentre lo fa, crea una tensione crescente nel carico a causa della resistenza. La differenza attuale e potenziale ai terminali aumenta fino a quando non è sufficiente per arrestare l'aumento della velocità di reazione. Matematicamente, I1 * R1 = Vbatt.

@Mark McLaren Interessante domanda .... ma se potessi scambiare la posizione di led e lampadina senza cambiare la polarità (così com'è) nel circuito in serie, allora la lampadina si accenderà se la mia logica è corretta .... Inutile dire che la tensione viene prima caduta sul LED e la tensione rimanente (tensione 3 VOLT MINUS utilizzata dal LED) non è sufficiente per la lampadina ... anche se ha una corrente sufficiente perché è in serie. Gli elettroni fluiscono dalla - polarità delle batterie verso il primo led e potrebbe essere questo il motivo per cui la tensione scende prima attraverso il led e il resto attraverso la lampada .... si prega di provare a scambiare la posizione di led e lampada e vedere se la lampada si accende. ..probabilmente anche il LED si accenderà perché il led richiede bassa tensione e la tensione rimanente sarà sufficiente per il led. io sono curioso