Падение напряжения и тока для светодиода?

Я создал следующую схему на макете и использовал источник питания Arduino Uno 3.3V для питания:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

На веб-сайте Arduino упомянуто, что на контакт 3,3 В подается ток 0,05 А. Согласно KVL это даст нам 3,3 В - (330 Ом * 0,05 А) - Падение напряжения на светодиоде = 0

Согласно уравнению падение напряжения на светодиоде будет отрицательным, и, следовательно, светодиод НЕ должен включаться. Однако на макете светодиод загорается ... ПОЧЕМУ? Это полностью противоречит базовой теории ... это нормально? или это возможно только потому, что я где-то допустил ошибку? = О

Проблема в том, что вы (пока) не понимаете правильную базовую теорию для применения :-).

Однако - поздравляю с попыткой решить это самостоятельно. Продолжайте в том же духе, и вы скоро узнаете, как правильно его рассчитать.

Напряжение, ток и сопротивление могут быть достаточно хорошо смоделированы по аналогии с водой. Напряжение аналогично насосное давление или «голова» давление в резервуаре, ток подобен току и сопротивление аналогично сопротивление трубы для подачи воды или сопротивления потока, предлагаемого гидравлическим двигателем.

ТАК "ошибка" в вашей модели предполагает, что текущий рейтинг Arduino был тем, что определяло то, что происходило, когда значение имеет напряжение или давление накачки.

Если цепь Arduino 3V3 имеет номинал 50 мА, это максимальный ток, который должен пропускаться , а не величина тока, который должен протекать.

Используя вашу художественную схему ASCII:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

Ключевое уравнение здесь (одно из положений закона Ома)

• Я = V / R

Это говорит о том, что ток будет увеличиваться с увеличением приложенного напряжения и будет уменьшаться с увеличением сопротивления. Здесь добавлен дополнительный фактор, чтобы сделать вещи более интересными. Светодиоды действуют примерно как «сток» постоянного напряжения. То есть, когда ток увеличивается выше некоторого начального предела, напряжение не будет расти линейно с током - оно будет расти, но с меньшей скоростью, чем скорость увеличения тока.

Переставив это уравнение, вы получите

• R = V / I

Это позволяет рассчитать требуемое значение резистора, необходимое для получения заданного тока с заданным доступным напряжением. Прежде, чем мы сможем применить это, мы должны понять, что нужно понять.

При использовании в своих расчетных диапазонах тока большинство светодиодов имеют разумно ограниченный диапазон падения напряжения. Современные белые светодиоды могут начать излучать свет заметно, с падением напряжения около 2,8 В на светодиоды, и могут иметь падение напряжения, скажем, 3 В 3 (= 3,3 В) при 20 мА (что, как правило, является максимальным расчетным током, потребляемым для светодиодных проводников 3 мм и 5 мм). ,) и перегореть от избыточного тока, скажем, 3V8 через светодиод. Типичные цифры будут отличаться, но это дает некоторое представление. Современный красный светодиод может иметь прямое падение напряжения при работе с номинальным током 2,5 В, а инфракрасный светодиод может работать при 1,8 В типично. При расчете тока светодиода вы можете начать, используя типичное прямое падение напряжения из таблицы данных светодиода.

Типичный красный светодиод

Вот таблица данных для типичного современного красного светодиода . Это Kingbright WP7113ID. Я выбрал его, найдя самый дешевый в наличии 5-миллиметровый свинцовый светодиод, продаваемый компанией Digikey. В 1 это 11 центов США.

В спецификации говорится, что прямое напряжение обычно составляет 2,0 В при 20 мА, поэтому я буду использовать эту цифру.

Работа при 20 мА

Поскольку светодиод имеет приблизительно постоянное напряжение на нем, нам нужно вычесть это напряжение из доступного напряжения, которое будет «прокачивать» ток через резистор. Мы разработаем схему, чтобы дать 20 мА - максимальное значение светодиодов. Таким образом, наша предыдущая формула становится.

• R = (V_supply - V_LED) / I

Для V_LED = 2v0 и Vsupply = 3V3 получаем

• R = (3,3-2,0) / 0,020 = 1,3 / 0,02 = 65 Ом.

68 Ом - это значение ближайшего стандартного резистора "E12" *.

Падение напряжения на резисторе = 3,3 - 2,0 = 1,3 В - как указано выше. В паспорте указано, что Vf МОЖЕТ быть МОЖЕТ быть 2V5 при 20 мА. Посмотрим, что произойдет, если мы используем светодиод с Vf = 2,5 В при 20 мА.

Как указано выше, I = V / R = (Vsupply-VLED) / R

Здесь мы теперь используем I = (3,3-2,5) / 68 = 0,8 / 68 = 0,00176A ~ = 12 мА.

Таким образом, мы рассчитали на 20 мА, но получили около 12 мА в этом случае. Аналогично, если бы Vf светодиода было ниже 2,0 В при 20 мА (как это может случиться), ток был бы выше 20 мА. В целом ток светодиода может изменяться на> 2: 1 из-за производственных изменений в Vf светодиода. По этой причине в «настоящей» конструкции светодиодного привода используются источники постоянного тока или схемы, приближенные к источнику постоянного тока. Но это другая история.

Работа с резистором 330 Ом

Для вашего резистора 330R.

Со светодиодом Vf = 2V0. I_LED = V / R = (3,3-2 В) / 330 = ~ 4 мА

Со светодиодом Vf = 2V5. I_LED = V / R = (3,3-2,5 В) / 330 = ~ 2,4 мА

В техническом описании не указано, что минимальное значение Vf - только типичное и максимальное - но давайте предположим, что оно составляет 1,8 В.

I_LED = V / R = (3,3-1,8) / 330 = 4,5 мА

Таким образом, ток светодиода может варьироваться от 2,4 мА до 4 мА = отношение 1: 1,666 в зависимости от светодиода Vf.

НО Vf в паспорте был на 20 мА. По мере падения тока Vf будет «несколько» падать. Вот характеристики выбранного светодиода из его таблицы.

Мы можем видеть, что Vf составляет около 1,7 В при 2 мА и около 1,78 В при 4 мА, поэтому предполагаемое значение 1,8 В достаточно для наших целей.

• E12 - самая распространенная серия резисторов с точностью 5% - 12 резисторов за десятилетие.

Предпочитаемый ряд номеров - найдите E12, а затем прочитайте и остальные :-)

Специфичный для E12 - значения и цветовые коды - более сфокусированный, но менее полезный в целом

Вы должны начать с падения напряжения светодиодов. Это то, что определяет ток, а не наоборот. Причина в том, что напряжение светодиода более или менее фиксировано, а ток будет переменным и адаптируется к требованиям схемы.
KVL действительно то, что вам нужно. Если падение напряжения на светодиодах составит 2 В, то напряжение на резисторе составит 3,3 В - 2 В = 1,3 В, и, следовательно, ток в цепи

$I = \dfrac{1.3V}{330\Omega} = 4mA$

Таким образом, если падение напряжения на резисторе будет слишком большим, оно автоматически настраивается на более низкое значение путем понижения тока.

Примечание: 50 мА - это то, что может доставить штифт . То, что он доставляет в реальности, зависит от того, что задает схема, и это не должно быть выше. И в нашем случае это намного ниже, так что все в порядке.

Для большинства ситуаций приведенного выше расчета, который предполагает фиксированное падение напряжения на светодиоде, достаточно, но иногда требуется более точный ответ, учитывающий переменное прямое напряжение. Большую часть времени у вас не будет уравнения для зависимости тока от прямого напряжения, а только график. Это означает, что вы не можете решить это аналитически. Мы увидим, что это легко решить графически.

$\Omega$$\dfrac{3V}{100\Omega}$
$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$

Смотрите также этот вопрос, чтобы узнать, как рассчитать значение резистора.

Две возможности:

• текущий рейтинг - это то, с чем может справиться устройство-источник без повреждения / перегрева, но не то, что оно принимает, чтобы ограничить себя

• падение напряжения на светодиоде выше, чем вы думаете, следовательно, падение напряжения на резисторе и ток через него ниже, чем 50 мА. В листе данных случайных светодиодов, который я только что выкопал, указано прямое напряжение 1,85 В, которое даст вам падение на 1,45 В на резисторе и ток 44 мА (что в два раза больше, чем рекомендуется для выбранного мной светодиода - Возможно, вы захотите рассмотреть резистор большего размера - старые комплекты радиоприемников будут использовать 680 Ом при питании от батареи 3 В)

Если у вас есть вольтметр (или, возможно, собственный аналоговый вход arduino), вы можете измерить напряжение узла между резистором и светодиодом и определить соответствующие падения на резисторе и светодиоде, и, таким образом, ток от падения на известном сопротивлении. ,

Краткий ответ:

Ток не будет 0,05 А просто потому, что в спецификации на источник питания указано 0,05 А; когда спецификация источника питания обеспечивает ток, это просто максимум, который вы должны попытаться извлечь из него. То, что вы на самом деле получаете за ток, зависит от нагрузки.

Тем не менее, вы можете получить количественные ответы для этого конкретного случая из некоторых хороших графиков, которые были даны в других ответах.