Что произойдет, если светодиод подключен к напряжению питания, превышающему падение напряжения?

Мое понимание сопротивления и напряжения ужасно. Я слышал, что по закону Кирхгофа (по моим словам, пожалуйста, исправьте) напряжение, используемое схемой, должно равняться подаваемому напряжению. Например, если у меня была батарея 9 В, я должен использовать все 9 В.

Допустим, у меня есть светодиод с типичным напряжением прямого смещения 3,1 В, что означает, что он теряет 3,1 В при генерации света. Сгорит ли светодиод, если используется 9 В?

Скорее всего, это правда, но хороший пример действительно сделает мое понимание более интуитивным.

Это одна из тех ситуаций, когда ваша проблема не в том, насколько вы хороши в анализе или какие базовые знания у вас есть, а просто в том, что вы не знаете, чего не знаете. Это всегда делает первый шаг в электронике очень высоким.

В случае вашего примера, что вы не знаете о батарее?

1. Напряжение на клеммах идеальной батареи никогда не изменится (по крайней мере, пока не будет использована вся емкость накопления энергии). Таким образом, должны быть факторы, которые влияют на напряжение терминала и его полезную энергетическую емкость. Краткий список - химия, объем материалов, температура и конструкция анода / катода.
2. Практическая батарея имеет ограниченную емкость, и многие другие факторы, влияющие на напряжение на клеммах и потенциальный ток, могут быть объединены в элемент модели под названием «Внутреннее сопротивление». В модели для большинства более крупных батарей это будет доли ома. Однако батарея также имеет другие элементы, такие как емкость и индуктивность, чтобы сделать ситуацию более сложной. Вы можете начать с чтения моделей батарей с такими текстами, как этот .

Отличным примером большой батареи с очень маленьким внутренним сопротивлением является автомобильный аккумулятор 12 В. Здесь, когда вы заводите автомобиль, для переключения двигателя требуются сотни ампер (кВт мощности и тока в диапазоне 600 А), и напряжение на клеммах может упасть с 13,8 В (полностью заряженная свинцово-кислотная автомобильная батарея) до 10 В при запуске. Таким образом, внутреннее сопротивление может быть (используя закон Ома) всего 6 миллиом или около того.
Вы можете масштабировать мышление для этого примера на меньшие батареи, такие как батареи AA, AAA и C, и, по крайней мере, начать понимать сложность батареи.

Теперь, что вы не знаете о светодиоде?

1. Сложность электрической модели для диода (будь то выпрямитель или светодиод) огромна. Но мы могли бы упростить это здесь и сказать, что в самом простом случае вы можете изобразить диод его напряжением запрещенной зоны с последовательным резистором. Вы можете начать с изучения множества пакетов SPICE, и это обсуждение StackExchange может стать хорошей отправной точкой.
2. Все полупроводниковые устройства имеют практическое ограничение на количество энергии, которое они могут рассеивать. Это связано, прежде всего, с физическими размерами устройства. Чем больше устройство, тем больше энергии оно может рассеивать.

Теперь вы можете рассмотреть свой светодиод. Вы должны начать, пытаясь понять таблицу данных для устройства. Хотя многие характеристики, которые вы не поймете, вы уже знаете одно (из вашего вопроса), прямое напряжение (Vf) и вы, возможно, найдете предел тока и максимальную рассеиваемую мощность в техническом описании.
Вооружившись этими, вы сможете определить последовательное сопротивление, необходимое для ограничения тока, чтобы не превышать предел рассеиваемой мощности светодиода.

Закон напряжения Кирхгофа дает вам большой намек на то, что, поскольку напряжение на светодиоде составляет около 3,1 В (а кривая тока в техническом описании показывает, что вы никогда не сможете подать 9 В), вам необходим еще один компонент с сосредоточенными компонентами в цепи.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Примечание: внутренний импеданс батареи, показанный выше, просто указан для упрощения расчетов. В зависимости от типа батареи (первичной или перезаряжаемой) внутреннее сопротивление может варьироваться. Проверьте свой паспорт батареи.

Может ли неизвестный элемент выше просто быть частью провода (без элемента)?
Это может .... но мы можем легко рассчитать результаты.
При двух идеальных элементах напряжения (9 В и 3,1 В) резисторы должны иметь напряжение 5,9 В (петля напряжения Кирхгофа). Следовательно, ток должен составлять 5,9 / 10,1 = 584 мА.
Мощность, рассеиваемая в светодиоде, составляет (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 Вт. Поскольку ваш светодиод, вероятно, рассчитан всего на 300 мВт или около того, вы можете видеть, что он сильно нагревается и, по всей вероятности, выйдет из строя в течение нескольких секунд.

Теперь, если неизвестный элемент представляет собой простой резистор, и мы хотим, чтобы ток через светодиод был, скажем, 20 мА, у нас достаточно для вычисления значения.

Напряжение на клеммах батареи будет (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 В Напряжение на клеммах светодиода будет (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 В

Таким образом, напряжение на неизвестном резисторе составляет 5,698, а ток через него 20 мА. Таким образом, резистор составляет 5,698 / 0,02 = 284,9 Ом.

В этих условиях напряжение в контуре уравновешивается, и светодиод передает свое расчетное значение 20 мА. Следовательно, его рассеиваемая мощность ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 мВт .... возможно, в пределах возможностей маленького светодиода.

Надеюсь это поможет.

Да, светодиод, скорее всего, будет поврежден. Это короткая история.

На самом деле напряжение батареи будет немного падать, потому что оно будет выдавать большой ток (батареи имеют внутреннее сопротивление, которое изменяется в зависимости от состояния зарядки, истории разряда, температуры и других факторов - возможно, несколько Ом для новой батареи 9 В), и Напряжение на светодиоде будет увеличиваться (светодиоды увеличивают напряжение с током нелинейным образом), пока они точно не встретятся (если вы проигнорируете небольшое падение проводов).

Допустим, напряжение батареи падает до 5 В, а батарея питается от 1,5 А. Это означает, что прямое напряжение светодиода составляет 5 В, и он рассеивает 5 В * 1,5 А = 7,5 Вт, что означает, что он очень быстро сгорит, если предположить, что это небольшой 3-мм или 5-мм индикаторный светодиод.

Если бы ваш светодиод 3,1 В оказался пучком светодиодов параллельно и был способен безопасно обрабатывать, скажем, 2 А, с другой стороны, напряжение батареи упало бы примерно до 3,1 В (из-за внутреннего сопротивления батареи, то же, что и выше), и светодиод будет гореть при входной мощности около 6 Вт. Конечно, батарея быстро разряжается (в лучшем случае - или может сильно нагреться и, возможно, сильно взорваться). Некоторые типы, такие как никель-кадмиевые или некоторые незащищенные литиевые батареи, могут быть более опасными, чем другие.

Вот что происходит: во-первых, я правильно подключил зеленый светодиод к 9 В, используя резистор 1 кОм, чтобы уловить остаточное напряжение.

Потом без.

Удивительно, но после этого, снова с резистором, светодиод все еще работает, но заметно тусклее.

Не пытайтесь делать это дома, дети ... кроме, черт возьми, почему бы и нет ... это наука !

Почему он на короткое время горит желтым / красным, прежде чем «светиться», я не знаю. Вероятно, результат отличается для каждого типа светодиодов.

На практике в вашем гипотетическом примере есть некоторые «скрытые» или паразитные резисторы, о которых вы не знаете. Для начала, батарея имеет внутреннее последовательное сопротивление. Светодиод также имеет сопротивление, как и вся проводка в вашей цепи. Напряжение на всех этих резисторах падает, а собственное падение напряжения светодиода будет увеличивать напряжение батареи.

Единственный вопрос: при каком токе это происходит? Если он достаточно высок, ваш светодиод будет готовить и гореть. Дополнительное сопротивление в виде фактического резистора, включенного последовательно со светодиодом, предотвратит эту проблему. Определение значения этого резистора - это возможность применить закон Ома.

Эта диаграмма с напряжением на Xaxis и током на Yaxis используется для графического «решения» уравнения для двухкомпонентных последовательно-делителей напряжения. Он может использоваться для чисто резистивного делителя, или как здесь с диодом и резистором.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Положите второй компонент в серии, чтобы поделиться напряжением. Например, вы хотите, чтобы светодиод работал безопасно при его 3,1 вольта, и чтобы резистор использовал ненужные [9–3,1] = 5,9 вольт. При 10 мА (который можно рассматривать как 100 Ом на вольт), вам нужно 100 Ом / Вольт * 5,9 В = 590 Ом. Общие значения 560 Ом и 620 Ом.

Здесь вам нужна последовательная схема: источник на 9 вольт, а затем два компонента, чтобы разделить напряжение аккумулятора.

Теперь давайте используем тот же график IV, что и номограмма для решения резистивных делителей напряжения.

^{смоделировать эту схему}

Ответ на ваш заглавный вопрос: светодиод загорится.

При условии, что ваш ток находится в пределах минимального и максимального пределов соответствующего светодиода.

При слабом токе он будет гореть тускло, а при номинальном токе он будет гореть ярко. Слишком сильный ток унесет светодиод.

Вы ограничиваете ток до желаемого значения (часто от 15 до 20 мА), помещая правильное сопротивление в цепь.

Используйте закон Ома, чтобы решить это. R (Ом) = V (вольт) / I (ампер).

В разумных пределах напряжение довольно не имеет значения для светодиода, его освещает ток. Конечно, вы должны иметь напряжение, достаточное для того, чтобы превышать внутреннее падение напряжения светодиода на нижнем конце.

Не все 9 В питания одинаковы. Кто-то загорит светодиод, а кто-то нет. (Это зависит от тока короткого замыкания или внутреннего сопротивления.)

9 В - 3,1 В = 5,9 В отсутствует. Это падает внутри 9 В питания, провода и внутри светодиода. (Это сопротивления, которые вызывают потерю напряжения или падение напряжения.)

Очень трудно унести что-либо без тепла (за исключением статического электричества в МОС). Нагревание требует времени для накопления (и выпуска дыма. :-)

Нагрев, который разрушает светодиод, обусловлен напряжением 3,1 В, внутренним сопротивлением светодиода, током (В / П) и временем. Часть тепла (до появления дыма) теряется в окружающей среде. Вот почему радиаторы используются в некоторых цепях для предотвращения дыма.

В первом приближении, пренебрегая внутренним сопротивлением, светодиоды имеют экспоненциальную I / V прямую характеристику. На самом деле, это характеристики прямого поляризованного перехода: реальные устройства имеют внутреннее внутреннее сопротивление, обычно несколько Ом.

«Номинальное» падение напряжения светодиода является лишь одной точкой на характеристиках. Обычно это напряжение, которое соответствует 20 мА, или определенный номинальный прямой ток.

Когда вы устанавливаете светодиод на полюсах батареи, вы создаете последовательную цепь, которая включает в себя «идеальный» источник напряжения 9 В, светодиод и внутреннее сопротивление батареи (скажем, 2 Ом).

Рабочая точка вашего светодиода - это пересечение его прямых характеристик с линией нагрузки, определяемой напряжением источника (9 В) и внутренним сопротивлением батареи. Падение напряжения на вашем светодиоде будет намного выше номинального 3,1 В.

Если ваш светодиод не является сильноточным устройством, ток будет превышать номинальное значение, и светодиод будет страдать или перегорать.

Светодиоды (и диоды в целом) немного странные. В первом приближении ниже порога напряжения ток не может течь, по нему нет ограничения по току.

Думайте об этом как о плотине, когда вода находится ниже плотины, она полностью блокируется. Как только уровень воды превысит плотину, ее поток станет неограниченным, однако вы все равно потеряете количество, удерживаемое за плотиной.

Так что со светодиодом с порогом 3,1 В, если вы подаете напряжение 9 В, у вас еще есть 5,9 В для использования. Это будет использовано резисторами в цепи, как описано законом Ома, V = I * R. Если вы не добавили резисторов, тогда R - это внутреннее сопротивление батареи и сопротивление ваших проводов. Эти внутренние сопротивления обычно достаточно малы, чтобы вы могли их игнорировать, но в этом случае они - все, что у вас есть. Малые сопротивления и фиксированное напряжение означают, что ток будет очень высоким. Максимальный ток, который может выдержать светодиод, составляет около 20 мА для типичных светодиодов. Если вы превысите это, они перегреются и уничтожат себя.

Как я уже сказал в начале, это всего лишь приближение светодиода, на практике падение напряжения увеличивается с ростом тока. Однако это увеличение невелико, как правило, если вы находитесь в ситуации, когда вам необходимо принять это во внимание, то вы либо делаете что-то очень чувствительное, что-то мощное, либо работаете слишком близко к пределам компонента, чтобы начать с него. Увеличение, конечно, недостаточно, чтобы повлиять на конечный результат в этом сценарии.

У всего есть сопротивление. Период!

• Это включает батареи (ESR), диоды (Rs), катушки индуктивности (DCR) (ESR) и даже резисторы (R);)
  • «Петля напряжения Кирхгофа (KVL)» учит, как использовать это «Остаточное напряжение»
    • это после того, как все напряжения питания сложены или вычтены
    • с суммой всех частей в серии, каждая из которых имеет сопротивление
  • Таким образом, KVL учит вас, как рассчитать результирующий ток или расход заряда в единицах ампер или «Ампер» = 1000 миллиампер (мА)

• таким образом, этот «остаток V» пересекает сумму всех частей R в цикле.

  • когда это хороший проводник, мы обычно (но не всегда) игнорируем сопротивление и падение напряжения.

• так что I = V / R каждой части после остаточного напряжения и суммы сопротивления контура, выраженной в виде отношения.

• детали, способные выдерживать много энергии, должны иметь низкое R (за исключением теории начальной школы, мы говорим, что идеальные батареи имеют R = 0)

• Все диоды подобия имеют меньшее сопротивление выше порогового напряжения, Vt, если рассчитано на большую мощность, при номинальном прямом напряжении Vf

3 В светодиоды имеют порог около 2,8 В, а затем могут составлять 3,1 В +/- 10% в зависимости от широкого допуска и, конечно, мощности

 - 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

Таким образом, с одним 1W белым светодиодом и одной щелочной 9V батареей, что такое «оставшееся» напряжение и результирующий ток?

• Как вы выбираете R, чтобы ограничить этот ток?
• Как выбрать номинальную мощность и повышение температуры.

(9 В - 2,8 В) / (6x1 + (от 0,5 до 1) + R) = 0,3 А = 300 мА

решить для R

Подсказка, если R = 0, светодиод становится слишком ярким и слишком горячим, чтобы выжить

Колпачки имеют ESR, но, поскольку изоляторы = диэлектрики, они блокируют постоянный ток, но проводят переменный ток.