Зачем нам нужны резисторы в светодиоде

Я исследовал, и он говорит, что резисторы ограничивают ток, протекающий через светодиод.

Но это утверждение смущает меня, потому что мы знаем, что в последовательной цепи ток постоянен в каждой точке, так почему же резистор может ограничивать протекающий ток?

Светодиоды имеют довольно постоянное напряжение на них, как 2,2 В для красного светодиода, который только слегка увеличивается с током. Если вы подаете 3 В на этот светодиод без последовательного резистора, светодиод попытается установить комбинацию напряжения / тока для этих 3 В. Там нет тока, который идет с этим типом напряжения, теоретически это будет 10 с, может быть, 100 с ампер, что приведет к разрушению светодиода. И это именно то, что происходит, если ваш источник питания может подавать достаточный ток.
Таким образом, решение является последовательным резистором. Если ваш светодиод требует 20 мА, вы можете рассчитать для красного светодиода в примере

$R = \dfrac{\Delta V}{I} = \dfrac{3V - 2.2V}{20mA} = 40 \Omega$

Вы можете подумать, что прямое питание 2,2 В также будет работать, но это не так. Малейшая разница в светодиоде или напряжении питания может привести к тому, что светодиод будет очень тусклым, очень ярким или даже разрушенным. Последовательный резистор гарантирует, что незначительные различия в напряжении будут иметь незначительное влияние на ток светодиода, при условии, что падение напряжения на резисторе достаточно велико.

Дело в том, что светодиод - это диод в любом случае, и диоды имеют очень маленькое внутреннее сопротивление (конечно, в «прямом» направлении), поэтому, если в серии нет чего-то еще, общее сопротивление очень низкое, и ток едва ограничен, и этот ток ограничен. может повредить светодиод и перегрузить цепь, питающую его.

Так что да, вы абсолютно правы, что ток одинаков в каждой точке цепи, когда элементы соединены последовательно, но когда вы добавляете резистор, вы увеличиваете общее сопротивление серии, и это уменьшает ток.

Всегда со сложными ответами ;-). Рассмотрим этот вариант. Что происходит, когда вы кладете провод на клеммы аккумулятора? В идеальном мире вы получаете бесконечный ток, который плавит проволоку. Мы называем это коротким замыканием. Поскольку диоды имеют минимальное прямое сопротивление, мы получаем тот же эффект, что и короткое замыкание. Вставьте туда резистор, чтобы обеспечить сопротивление току, чтобы ограничить его от бесконечности

Представь это

• У вас был двигатель с водяным приводом, скорость которого была пропорциональна току.

• Сам двигатель предлагал очень мало сопротивления потоку тока - вы должны были контролировать поток тока, внешний по отношению к насосу.

• У вас есть насос, способный перекачивать 10 литров в секунду через 10-метровую трубу к двигателю, затем через двигатель и затем еще через 10-метровую трубу к стороне всасывания насоса. (Расход был связан с давлением, создаваемым насосом, и сопротивлением трубопровода, т.е. НЕ является поршневым насосом прямого вытеснения.

• Когда насос работал, вы обнаружили, что двигатель работает НАМНОГО слишком быстро и что вам нужно было ограничить расход до 1 литра в секунду.

Чтобы выполнить требование, вы можете поместить редукционный клапан в контур, чтобы сбросить большую часть давления и ограничить поток. Клапан работал, чтобы сбросить определенное количество давления через него при заданном расходе и как регулируемый. (Речь идет о том, сколько клапанов Rel воды работает).

Вы можете поместить клапан в любом месте в цепи, и он достигнет желаемого результата. Это может быть на входе или выходе насоса, либо на выходе двигателя, либо на входе, либо в любом месте любой трубы.

Это близкая аналогия с вами светодиодным вопросом. Ток должен быть ограничен, так как он слишком высок без ограничителя. Ограничитель может быть размещен в любом месте цепи.

С аккумулятором - резистор светодиодной схемы

Светодиод имеет определенное падение напряжения при выбранном токе.
Чтобы быть точным, скажем, что при 20 мА светодиод падает ровно на 3,00 Вольт. Это типично для некоторых современных светодиодов.
Если мы хотим запустить светодиод при 20 мА, мы ДОЛЖНЫ принять меры к тому, чтобы он падал на 3 В - не больше и не меньше.
Если мы хотим использовать питание 9 В для работы светодиода, мы НЕ ДОЛЖНЫ каким-то образом «избавляться» от 9-3 = 6В.
Резистор делает это.
Чтобы падение 6 В при 20 мА, необходим резистор R = V / I = 6 / 0,02 = 300 Ом.
В этом примере батарея 9 В + резистор + светодиод будут работать при 20 мА. Резистор можно разместить до или после светодиода. Ток падает через него в любом месте.

Это не имеет отношения к этому вопросу, но чрезвычайно важно знать, что ваше заявление

• «Мы знаем эту серию цепей, ток постоянен в каждой точке».

это неверно.

Есть много цепей, где это верно, но также много цепей, где это не так.
В цепях постоянного тока только с резистивными компонентами, такими как этот 1 светодиод, 1 резисторная цепь, тогда это верно. НО, когда присутствуют реактивные компоненты, такие как катушки индуктивности и конденсаторы или некоторые другие нелинейные элементы, то это часто НЕ верно.

Давайте сосредоточимся на том, что здесь важно: характеристика светодиода (который является диодом). Пожалуйста, посмотрите на это изображение из Википедии. Как видите, при положительном напряжении на диоде его ток увеличивается в геометрической прогрессии. Теперь представьте, что вы подключаете свой светодиод к источнику питания без резистора. Вам нужно установить точное напряжение на диоде, чтобы получить точный ток, необходимый для освещения светодиода. Если по какой-либо причине ваш источник питания немного превысит необходимое вам напряжение, то ток будет экспоненциально выше, чем раньше, что может (это будет!) Повредить ваш диод. Итак, как резистор может помочь нам с этой проблемой? ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ!Одна из самых важных концепций в электронике! Давайте вернемся к нашему примеру и добавим последовательно резистор с диодом и источником питания. Теперь, каждый раз, когда ваш источник питания превышает номинальное напряжение, диод снова будет увеличивать свой ток в геометрической прогрессии, но, поскольку ток становится выше, напряжение на резисторе также будет выше, что означает, что напряжение на диоде будет уменьшаться, компенсируя источник питания увеличение напряжения

Светодиод - это диод, изготовленный из полупроводникового материала, который генерирует фотоны света при прохождении тока через материал. Чем больше ток через светодиод, тем больше света он будет излучать, тем ярче он будет. Однако существует верхний предел, который представляет собой величину тока, достаточную для повреждения светодиода.

Светодиод предлагает небольшое сопротивление току, протекающему через него. Большая часть небольшого сопротивления, которое он предлагает, исходит от энергии, потерянной излучаемым светом, и генерация фотонов настолько эффективна, что сопротивление довольно незначительно. Однако по мере увеличения тока при увеличении количества света светодиод в какой-то момент выходит из строя, поскольку величина тока, проходящего через светодиод, вызывает разрушение материала. При достаточно больших количествах тока испарение катастрофического материала может привести к небольшому взрыву внутри внешней оболочки светодиода. При более низких уровнях тока, обнаруженных в цифровых цепях 3,3 В или 5 В, наиболее вероятным результатом является разрушение полупроводникового материала и прекращение его проводки, а светодиод больше не светится.

Как напряжение цепи влияет на потребление тока светодиодом? Поскольку светодиод представляет собой тип диода, уравнение диода Шокли описывает ток, который диод допускает при различных уровнях напряжения. Уравнение показывает, что результаты функции Шокли для данного диапазона напряжений следуют экспоненциальной кривой. Это означает, что небольшие изменения напряжения могут привести к значительным изменениям тока. Поэтому использование светодиода в простой цепи, напряжение которого выше, чем прямое напряжение светодиода, может привести к тому, что светодиод будет потреблять на удивление больший ток, чем его рекомендуемые уровни, что приведет к выходу из строя светодиода.

Смотрите Википедию в разделе Светодиодная схема, а также в Википедии в разделе Уравнение диода Шокли .

Таким образом, идея состоит в том, чтобы спроектировать схему светодиодов так, чтобы ограничить количество тока, протекающего через светодиод. Мы хотим сбалансировать наличие достаточного тока, чтобы вызвать желаемый уровень яркости, не имея такого большого количества, что светодиодный материал выходит из строя. Самый распространенный способ ограничения тока - добавить резистор в цепь.

Светодиод должен иметь паспорт, в котором описаны электрические характеристики и допуски светодиода. Например, см. Этот паспорт Модель №: YSL-R531R3D-D2 .

Первые характеристики, которые нас интересуют: (1) каков максимальный ток, который светодиод может выдержать до возможного выхода материала из строя, что приведет к выходу из строя светодиода, и (2) каков рекомендуемый диапазон тока. Эти и другие максимальные значения для стандартного стандартного красного светодиода (разные светодиоды будут иметь разные значения) приведены в таблице, как показано ниже.

В таблице из спецификации для этого стандартного красного светодиода мы видим, что максимальный ток составляет 20 мА с рекомендуемым диапазоном от 16 мА до 18 мА. Этот рекомендуемый диапазон - это ток для светодиода, который будет самым ярким, при этом не рискуя поломкой материала. Мы также видим, что номинальная мощность рассеивания составляет 105 мВт. Мы хотим быть уверенными, что в нашей конструкции светодиодных цепей мы придерживаемся этих рекомендуемых диапазонов.

Глядя в следующую таблицу, мы находим значение прямого напряжения для светодиода 2.2v. Значение прямого напряжения - это падение напряжения при прохождении тока через светодиод в прямом направлении от анода к катоду. См. Что такое «прямое» и «обратное» напряжение при работе с диодами? ,

Если бы мы использовали этот светодиод в цепи с напряжением 2,2 В и током 20 мА, то светодиод рассеял бы 44 мВт, что находится в пределах нашей зоны безопасности рассеивания мощности. Если ток изменяется от 20 мА до 100 мА, рассеивание будет в 5 раз больше или 220 мВт, что значительно выше номинальной рассеиваемой мощности 105 мВт для светодиода, поэтому можно ожидать, что светодиод выйдет из строя. См. Что происходит с моим светодиодом, когда я подаю слишком большой ток? ,

Чтобы уменьшить ток через светодиод до рекомендуемых уровней, мы введем резистор в цепь. Какое значение резистора мы должны использовать?

Мы рассчитываем значение резистора, используя закон Ома V = I x R. Однако мы сделаем алгебраическое преобразование, потому что мы хотим найти сопротивление, а не напряжение, поэтому вместо этого используем формулу R = V / I.

Значение I, ток в амперах, довольно очевидно, давайте просто воспользуемся рекомендуемым минимумом 16 мА или 0,016 А из таблицы данных светодиодов в преобразованной формуле. Но какое значение мы должны использовать для вольт, В?

Нам нужно использовать падение напряжения резистора, которое является вкладом резистора в общее падение напряжения всей цепи. Таким образом, нам нужно будет вычесть вклад падения напряжения светодиода из общего напряжения цепи, чтобы определить вклад падения напряжения, необходимый от резистора. Падение напряжения светодиода представляет собой прямое значение напряжения, падение напряжения в прямом направлении от анода к катоду, из таблицы выше.

Для стандартного проекта Raspberry Pi, использующего шину 3.3 В в качестве источника питания, расчет будет (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

Так почему же значение резистора, например 200 Ом, обычно используется, когда расчеты показывают 69 Ом?

Простой ответ заключается в том, что резистор 200 Ом является обычным резистором, включенным во многие экспериментальные комплекты. Мы хотим использовать общий резистор, если свет, излучаемый светодиодом, не будет заметно уменьшаться.

Итак, если мы изменим резистор 69 Ом на резистор 200 Ом, как изменится ток? Опять же, на этот раз мы используем закон Ома для определения тока в цепи, I = V / Rили, 3.3v / 200 ohms = .0165Aкогда мы смотрим на таблицу данных светодиодов, мы видим, что это значение находится в рекомендованном диапазоне от 16 мА до 18 мА, поэтому светодиод должен быть достаточно ярким.

Проще говоря, светодиоды имеют низкое сопротивление, если при подключении к одному батарее ток, протекающий через него, будет очень высоким (I = V / R), высокий ток означает большую рассеиваемую мощность в сопротивлении маленького светодиода, что приводит к горению диода. (термически), потому что материал имеет очень низкую постоянную теплопередачи.

Обратите внимание, что рассеиваемая мощность = (I ^ 2 × R).