Светодиод и лампа последовательно - почему лампа не горит?

24

Мой 6-летний сын только начал экспериментировать с набором стилей Snap Circuits, и у нас уже есть очень простой вопрос.

Если мы располагаем светодиод и лампу параллельно питаемыми от батарей, то и светодиод, и лампа загораются ярко.

введите описание изображения здесь

Однако если последовательно расположить светодиод и лампу, то загорается только светодиод.

введите описание изображения здесь

Очевидно, что ток проходит через лампу (если я откручиваю лампу, светодиод гаснет).

Так почему лампочка не горит?

Я немного дешевый, поэтому вместо того, чтобы покупать подходящие Snap Circuits, я купил аналогичный универсальный набор из Китая на eBay (см. Комплект электронных блоков W-58 )

(Извините, если это слишком просто для этого форума, но я еще не нашел ответ через Google)

Марк Макларен
источник
1
Можете ли вы дать нам немного дополнительной информации? Я помню, что Snapcircuits - это своего рода готовые модули, которые могут быть присоединены для совместной работы и должны быть удобны для начинающих, но они, скорее всего, будут иметь некоторые дополнительные компоненты, которые могут быть важны для хорошего ответа на этот вопрос. Если у вас есть какие-либо технические характеристики модулей (по крайней мере, какие модули вы используете точно) или подробные, сфокусированные фотографии, они могут быть полезны.
AndrejaKo
3
Светодиод имеет красный светодиод со скрытым 33-омным резистором последовательно, лампа рассчитана на 2,5 В / 300 мА. Вы использовали последовательный резистор (например, 100 Ом) со светодиодом?
Спехро Пефхани
Не то, чтобы я в курсе.
Марк Макларен
1
@Mark McLaren В отличие от лампы, яркость которой зависит от мощности (произведение напряжения и тока), рассеиваемой проводом, яркость светодиода пропорциональна току, проходящему через светодиод, если напряжение выше определенного уровня. Это объясняется в ответе Каз, но вот немного больше данных: во-первых, напряжение на светодиодном модуле составляет 3 В - Vf - 33 * I = 0, когда у нас есть только светодиод параллельно лампе. Здесь Vf - это специальное напряжение, необходимое для включения светодиода. (продолжение)
AndrejaKo
1
Когда у нас есть и светодиод, и лампочка последовательно, уравнение напряжения принимает вид: 3 В - Vf - 33 * I -Rbulb * I = 0. Я ток, проходящий через цепь. 33 - сопротивление включенного резистора на светодиодном модуле. Светодиод в основном представляет собой устройство такого типа, что он включается, как только через него проходит ток, а напряжение источника выше, чем Vf, в то время как лампочка с другой стороны не будет видна, пока рассеиваемая мощность не достигнет необходимого уровня. Это одна из причин, почему светодиоды заменяют лампочки во многих устройствах в качестве световых индикаторов.
AndrejaKo

Ответы:

19

Для параллельно подключенных светодиода и лампы каждое из них имеет полное напряжение аккумулятора.

При последовательном соединении напряжение на каждом из них должно совпадать с напряжением батареи.

Без какой-либо дополнительной информации, чем указано, наиболее вероятный ответ заключается в том, что напряжение на лампе, которое должно равняться напряжению батареи минус напряжение на светодиоде, является недостаточным для получения видимого света.

При наборе этого ответа я вижу, что вы добавили несколько картинок. Похоже, что общее напряжение аккумулятора составляет около 3 В. Учитывая, что многие светодиоды имеют прямое напряжение свыше 2 В, это оставляет менее 1 В на всей колбе.

У вас есть вольтметр с вашим комплектом? Если это так, измерьте напряжение на лампе для последовательного подключения.

Альфред Центавра
источник
8
Я думаю, что более важным моментом является факт, упомянутый Spehro в комментарии, что лампа накаливания требует 300 мА, в то время как светодиод обычно потребляет менее 20 мА, поэтому светодиод ограничивает ток в цепи до такого низкого значения что лампа не сделает видимый свет. Если вы используете два lamspps последовательно, а не светодиод и лампу, обе лампы должны светиться тускло, поскольку они будут иметь 150 мА или около того.
Питер Беннетт
8
@PeterBennett, ток светодиода может варьироваться в широких пределах, в то время как напряжение светодиода приблизительно постоянно, поэтому я не думаю, что ваши рассуждения здесь верны Светодиод (игнорируя любой встроенный резистор) ограничивает напряжение на лампе, а сопротивление лампы (которое меняется в зависимости от температуры) задает последовательный ток.
Альфред Центавра
@Peter: светодиод не является резистором и, конечно, не «ограничивает ток». Резистор расположен последовательно, чтобы ограничить ток, чтобы избежать подгорания светодиода, но ток будет зависеть только от падения напряжения на резисторе, а не от светодиода. Как объяснил Альфред, светодиод имеет почти постоянное падение напряжения, что приводит к очень низкому напряжению, приложенному к лампе, но не обеспечивает линейного омического сопротивления, как лампа. Лампа, с другой стороны, представляет собой чисто (ну, в основном) резистивную нагрузку, где ток линейно зависит от приложенного напряжения.
Groo
3
@Groo: Возможно, я был немного неаккуратным в моем объяснении. Спехро упоминает в своем комментарии, что светодиодная часть содержит резистор на 33 Ом. Поскольку сборка светодиода работает без повреждения светодиода при подключении непосредственно к 3-вольтовой батарее, она должна быть рассчитана на потребление менее 30 мА при 3 В и, следовательно, будет ограничивать ток меньше, чем при последовательном соединении с 300 мА. фонарь.
Питер Беннетт
12

Светодиод падает так сильно, что для лампочки осталось совсем немного.

У вас есть только две батареи 1,5 В, которых последовательно хватает на прямое напряжение светодиода.

Лампы накаливания быстро тускнеют, когда рассеиваемая ими мощность уменьшается: мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление.

Именно по этой причине затемнение ламп накаливания не экономит много энергии. Лишь небольшое незначительное уменьшение рассеиваемой мощности почти полностью затухает лампочку.

Нити генерируют в основном тепло, и только небольшая часть в виде видимого света. Это очень чувствительно к температуре, которая очень чувствительна к рассеиваемой мощности.

Попробуйте посмотреть на лампу в темной комнате; Вы можете увидеть слабое красное свечение. Кроме того, свет от светодиода может мешать вам видеть тусклое свечение лампочки даже в темной комнате. Накройте светодиод тоже.

Kaz
источник
7

Должен быть последовательно включенный резистор со светодиодом. Светодиод - это диод, и диоды быстро увеличивают ток, который они пропускают, когда приложенное напряжение поднимается выше определенной точки, значительно ниже 3В. Таким образом, без токоограничивающего резистора светодиод пропустит столько тока, что сгорит.

Предыдущие ответы, в которых говорится, что светодиод падает напряжение, являются правильными, но падение происходит через комбинацию светодиода и скрытого резистора. Лампочка просто добавляет немного больше сопротивления, что немного уменьшает ток, но только делает светодиод немного тусклее. Но лампочка лишена минимального напряжения, необходимого для освещения.

Кен Джексон
источник
1
Самый правильный ответ.
krs013
Стоит упомянуть, что внутренний «скрытый» светодиодный резистор в основном относится к настройке первого OP (параллельной цепи), в которой светодиод в основном подключен непосредственно к 3В. Оставшееся 1 В затем распределяется по проводке и (к счастью) внутреннему резистору, который ограничивает ток, чтобы избежать подгорания светодиода. Во втором контуре это не сильно меняет ситуацию (при условии, что это 33 Ом против 300 Ом лампы).
Groo
4

Дополнительным и интересным фактором является то, что сопротивление лампы накаливания в холодном состоянии составляет примерно 1/10 от сопротивления в горячем состоянии.

Вместо 10 Ом лампа с холодным светом, вероятно, ближе к 1 Ом.

P=I2р

Лампа серии представляет собой нечто большее, чем кудрявый кусочек провода, завершающий цепь светодиодного освещения.

С другой стороны, функция положительных температурных коэффициентов ламп накаливания может быть полезной; посмотрите ранний аудио-генератор HP и прочитайте о мостовых генераторах Wien .

SteveRay
источник
Добро пожаловать в EE.SE! Поскольку это не совсем ответ на вопрос, вы должны были опубликовать его как комментарий, а не как ответ.
Джо Хасс
Это является ответом. Это объясняет, что при том, что, скорее всего, рабочий ток цепи, нить накала лампы никогда не нагревается в достаточной степени для освещения. Далее вводятся понятия мощности и температурного коэффициента, как уникальные, так и значимые вклады в этот вопрос.
Фил Фрост
@PhilFrost Извините, но я не вижу в ответ ничего подобного "недостаточно нагретому для освещения". Хотя вы можете сделать вывод из ответа, я не думаю, что ОП будет. Этот «ответ» даже не упоминает светодиод вообще.
Джо Хасс
@JoeHass да, он делает: «При 20 мА тока, необходимого, чтобы полностью зажечь светодиод». Хотя я согласен с тем, что шестилетнему ребенку или его отцу, экспериментирующим с SnapCircuits, может быть непонятно, но он пытается ответить на этот вопрос. Надлежащий курс действий должен предложить пути для улучшения, а не пометить его для удаления. См. «Не ответ» против «не хороший ответ» , но этот ответ даже не «не хороший ответ», это всего лишь краткий обзор вероятного уровня понимания ОП.
Фил Фрост
1
Ответы против комментариев: мне не разрешено комментировать с 0 очками. Я искал баланс между повторением всех принципов, уже ясно обсужденных и принятых ОП, и недостаточностью простого добавления новой информации. Чтобы утверждать, что светодиод вообще не упоминается, отсутствует тот факт, что светодиод упоминается дважды (может быть, не достаточно подробно?); ответ был намеренно сфокусирован на неосвещенной лампе накаливания; неожиданная темнота лампы была источником вопроса ОП.
SteveRay
3

Отличный вопрос! Это как параллельные, так и последовательные цепи, как уже отмечалось. Параллельно ламповый и светодиодный модули получают 3 вольта. В серии они должны делить 3 Вольта, поэтому каждый получает по несколько. Если бы это были 2 лампы одного типа, каждый получил бы половину напряжения. 3 лампочки подряд, каждая получает 1/3 и т. Д. Светодиодный модуль делает его более сложным. Но давайте сначала сделаем самую большую проблему.

EI=R3V0.3A=10Ω

VA=R1V:VAV=RVVV1A=RVA=VR10Ω+10Ω=20Ω3V20Ω=.150ARA=V10Ω×.15A=1.5V

A=3V1.xV10+33Ω1.9V43Ω1.1V43Ω

В целях обсуждения красные светодиоды имеют прямое падение напряжения в 1. (что-то) вольт, зеленый - около 2 вольт, синий - еще выше. Конечно, они имеют конечные значения сопротивления, но проще всего думать о них как о простом снятии этого фиксированного напряжения. Затем ток можно рассчитать как оставшееся напряжение на резисторе. Если резистора нет, нужен более сложный способ ограничения тока.

Для большего удовольствия поместите электродвигатель соответствующего размера в ряд с лампочкой, обратите внимание на яркость лампочки, а затем на электродвигатель возложите нагрузку: прикосновение пальца, лопасть вентилятора или лопасть для перемещения воздуха и т. Д. См. любые изменения?

Билл IV
источник
Какой отличный ответ! Мой ребенок собрал одну из этих цепей с защелкой, и я обнаружил, что поведение лампы с повышенным сопротивлением противоречит интуиции. Это объяснение проясняет, что увеличение сопротивления изменяет то, сколько тока потребляет двигатель, оставляя меньше тока, доступного по цепи. Математика это так круто!
resplin
@resplin, спасибо! Закон Ома полезен, изящен и демонстрирует, почему важно изучать альгабру. Математика это путь, путь, круто!
Билл IV
2

Один из способов визуализации и, следовательно, понимания того, что происходит в схеме, это очень упрощенное объяснение или аналогия, состоит в том, чтобы думать, что светодиод не пропускает достаточно тока, чтобы зажечь лампу. Проще говоря, он имеет гораздо большее сопротивление, чем лампа по сути. Если вы поместите две лампы одинакового типа последовательно, они должны светиться одинаково ярко, настолько яркими, насколько позволяет ток, обеспечиваемый источником питания. В качестве очень простой аналогии, две 115-вольтные лампы переменного тока одинаковой мощности, установленные последовательно, потребуют + - 230 Вольт для полной подсветки.

Однако светодиод имеет гораздо большее сопротивление, чем лампа, или, точнее, это полупроводник и имеет прямое падение напряжения.

Упрощено: прямое падение напряжения на светодиоде примерно на 2 вольт при потреблении тока, скажем, 20 мА (сейчас я не могу вспомнить точные цифры), и это похоже на конфигурацию батареи на 3 В, которая оставляла бы только около одного вольта для лампа. Также светодиод не будет пропускать достаточный ток для нагрева нити накала (которая классифицируется как индуктор, а светодиод - полупроводник, поэтому моя аналогия неточна), но лампа, вероятно, не будет полностью освещаться, даже если подаваемое напряжение будет выше для компенсации для прямого падения напряжения на светодиоде.

Я надеюсь, что в этом есть смысл. Я извиняюсь, если нет, но я тороплюсь и вижу это только тогда, когда мне нужно было выйти из строя и заняться чем-то другим.

StansSongs
источник
Сказать, что светодиод не «пропускает достаточный ток», вводит в заблуждение. светодиод никоим образом не ограничивает ток, он просто обеспечивает почти постоянное падение напряжения, что, в свою очередь, влияет на остальную цепь. Удалите все резисторы из цепи, и светодиод пропустит любой мыслимый ток, пока не выпустит волшебный дым .
Groo
2

Ваш вопрос напоминает мне о подобном эксперименте, в котором две лампы неравной мощности, но одинакового напряжения соединены последовательно. Напряжение, в два раза превышающее одну из ламп, внезапно подается на устройство - просто посмотрите, что произойдет. При выборе напряжения, пожалуйста, помните об электробезопасности. Лампы, рассчитанные на 6 вольт, будут работать нормально. Предложите остановку автомобиля / лампочку накаливания на 6 вольт. Этот эксперимент был использован на практическом экзамене по физике GCE "A" около 30 лет назад!

Еще одна вещь, которую вы можете попробовать, - это подключить разные лампы накаливания на 240 вольт с прозрачными стеклянными оболочками к напряжению 12 вольт - если я правильно помню, лампы на 25 ватт работают хорошо и дают слабое свечение накала, что очень приятно для просмотра. Снова, пожалуйста, будьте в курсе электрической безопасности.

Nyge
источник
1

Я просто на мгновение проигнорирую падение напряжения и объясню это с точки зрения тока.

При последовательном размещении со светодиодом ток, проходящий через светодиод, также проходит через колбу, но тепла, идущего в нить накала (ток в квадрате, умноженный на сопротивление колбы), недостаточно для того, чтобы нить нагрелась достаточно, чтобы произвести видимый свет ,

Свет от светодиода примерно пропорционален току, проходящему через него, тогда как яркость лампы (для тусклой / слабой лампы!) Пропорциональна ближе к кубу входного тока. Если вы включите лампу «пшеничное зерно» (20 мА) последовательно со светодиодом и отрегулируете ток, это станет ясно.

Теперь немного о физике: батареи представляют собой почти идеальный источник напряжения, потому что внутри батареи происходит химическая реакция, которая перемещает электроны от катода (+) к аноду (-), пока разность потенциалов между двумя клеммами не достигнет разрыва. -контурное напряжение. Я назову это Vbatt.

Когда между двумя клеммами выполняется электрическое соединение, электроны протекают во внешнем соединении от клеммы (-) к (+) из-за этой разности потенциалов, создавая «цепь» электронов. Этот поток электронов уменьшает разность потенциалов между клеммами, вызывая ускорение реакции и подачу большего количества электронов, и ток увеличивается. При этом он создает увеличивающееся напряжение в нагрузке из-за сопротивления. Разность тока и потенциала на клеммах возрастает до тех пор, пока этого не станет достаточно, чтобы остановить увеличение скорости реакции. Математически, I1 * R1 = Vbatt.

профессиональный электронный спорщик
источник
-1

@Mark McLaren Интересный вопрос .... но если бы вы могли поменять местами светодиод и лампу, не меняя полярность (как она есть) в последовательной цепи, то лампочка загорится, если моя логика верна .... Нет нужды говорить, что сначала напряжение падает на светодиод, а оставшееся напряжение (3 Вольт МИНУС, используемое светодиодом) является недостаточным для лампы. Хотя он имеет достаточный ток, потому что он включен последовательно. Электроны текут от полярности батарей к светодиоду в первую очередь, и, возможно, именно поэтому напряжение сначала падает на светодиоды, а остальные - на лампу ... пожалуйста, попробуйте поменять положение светодиода и лампы и посмотрите, загорается ли лампа. ... надеюсь, что даже светодиод загорится, потому что светодиод требует низкого напряжения, а оставшегося напряжения будет достаточно для светодиода. мне интересно

Амит Тхакор
источник
1
Этот ответ требует лучшего форматирования, он опаздывает на год и не добавляет к существующим ответам. Вы можете отредактировать его, чтобы удалить «bcoz» и использовать правильные предложения.
Дэвид
Я не уверен, что вы имеете в виду, когда меняете полярность, но я пытался поменять местами последовательно светодиод и лампу, и всегда горит светодиод, а не лампочка.
Марк Макларен
Извините, но не. Порядок работы лампочки и светодиодного модуля не влияет. Попробуй сам. Последовательно весь ток через лампу должен проходить через светодиодный модуль. Полярность светодиода и батареи должна быть правильной - катод светодиода должен идти к клемме + батареи, а анод - к клемме - для протекания прямого тока. (катод - |> | - анод) треугольник в символе указывает от катода к аноду. Стабилитроны работают вперед и назад, но не излучают свет ...
Билл IV