Перепади напруги та струм для світлодіода?

Я створив наступну схему на дошці та використовував джерело живлення Arduino Uno 3.3V для живлення:

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

На веб-сайті Arduino зазначається, що штир 3.3V має струм 0,05А. За даними KVL, це дало б нам 3,3 В - (330 Ом * 0,05 А) - Перепад напруги на світлодіоді = 0

Відповідно до рівняння падіння напруги на світлодіоді буде негативним, а значить, світлодіод НЕ повинен включатися. Однак на дошці світлодіод загоряється ... ЧОМУ? Це повністю суперечить базовій теорії ... це нормально? чи це можливо лише тому, що я десь помилився? = О

Проблема полягає в тому, що ви (ще) не розумієте правильної основної теорії, яку слід застосувати :-).

Однак - поздоровлення за спробу розібратися самостійно. Тримайте це, і незабаром ви ознайомитеся з тим, як правильно його обчислити.

Напруга, струм і опір можна досить добре змоделювати за допомогою аналогії води. Напруга схожа з тиском накачування або тиском «головки» в резервуарі, струм аналогічний потоку потоку, а опір подібний до опору труби проти потоку води або опору потоку, пропонованого гідромотором.

Тож "помилка" у вашій моделі передбачає, що поточний рейтинг Arduino був тим, що призвело до того, що сталося, коли те, що має значення напруга або тиск накачування.

Якщо в контурі 3V3 Arduino є 50 мА, це максимальний струм, який повинен бути дозволений для протікання , а не кількість струму, який повинен протікати.

Використовуючи схему мистецтва ASCII:

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

Ключовим рівнянням тут (однією схемою закону Ома) є

• I = V / R

Це говорить про те, що струм буде зростати зі збільшенням прикладеної напруги і зменшуватиметься зі збільшенням опору. Тут вкладений додатковий фактор, щоб зробити речі цікавішими. Світлодіоди діють приблизно як «раковина» постійної напруги. Тобто, при збільшенні струму вище деякої початкової межі напруга не буде лінійно збільшуватися зі струмом - воно зростатиме, але з меншою швидкістю, ніж швидкість збільшення струму.

Переставляючи отримане рівняння

• R = V / I

Це дозволяє обчислити необхідне значення резистора, необхідне для отримання заданого струму з заданою наявною напругою. Перш ніж ми можемо застосувати це, є "готча", яку нам потрібно зрозуміти.

При експлуатації в їх проектних діапазонах струму більшість світлодіодів мають досить обмежений діапазон перепадів напруги. Сучасний білий світлодіод може почати помітно випромінювати світло з приблизно 2,8 В «краплями» на світлодіод, мати краплю 3V3 (= 3,3 Вольт) при 20 мА (що, як правило, є максимальним оптимальним струмом для світлодіодів із світлодіодним струмом 3 мм та 5 мм. ,) і вигоряти від надлишкового струму, скажімо, 3V8 через світлодіод. Типові цифри будуть різними, але це дає певну ідею. Сучасний червоний світлодіод може мати перехід напруги вперед, працюючи при номінальному струмі 2,5 В, а інфрачервоний світлодіод може працювати при типовому 1,8 В. При обчисленні світлодіодного струму ви можете почати, використовуючи типові передні напруги в таблиці даних світлодіода.

Типовий червоний світлодіод

Ось таблиця для типового сучасного червоного світлодіода . Це Kingbright WP7113ID. Я вибрав це, знайшовши найдешевший 5-мм світлодіодний світлодіод, що продається у Digikey. За 1 рік це 11 центів США.

Лист даних говорить, що напруга вперед зазвичай становить 2,0 В при 20 мА, тому я буду використовувати цю цифру.

Експлуатація при 20 мА

Оскільки світлодіод має приблизно постійну напругу поперек нього, нам потрібно відняти цю напругу від наявної напруги, яка буде "прокачувати" струм через резистор. Ми розробимо схему, щоб дати 20 мА - максимальне значення світлодіодів. Тож наша попередня формула стає.

• R = (V_поставка - V_LED) / I

Для V_LED = 2v0 і Vsupply = 3V3 отримаємо

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

68 Ом - найближче стандартне значення резистора "E12" *.

Падіння напруги через резистор = 3,3 - 2,0 = 1,3 В - як вище. В описі даних йдеться про те, що VD ЛЕГО може бути 2V5 при 20 мА. Давайте подивимося, що буде, якби ми використали світлодіод із Vf = 2,5 В при 20 мА.

Як вище I = V / R = (Vsupply-VLED) / R

Тут ми зараз використовуємо I = (3.3-2.5) / 68 = 0.8 / 68 = 0.00176A ~ = 12 мА.

Таким чином, ми розробили 20 мА, але отримали приблизно 12 мА в цьому випадку. Аналогічно, якби Vf світлодіода був нижчим за 2,0 В при 20 мА (як це може статися), струм був би вищим за 20 мА. В цілому світлодіодний струм може змінюватися на> 2: 1 через зміни виробництва в Vf світлодіодів. Це є причиною того, що "справжня" світлодіодна конструкція використовує постійні джерела струму або схему, наближену до джерела постійного струму. Але це вже інша історія.

Робота з резистором 330 Ом

Для вашого резистора 330R.

З світлодіодним Vf = 2V0. I_LED = V / R = (3,3-2V) / 330 = ~ 4 мА

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

Лист даних не говорить про те, що таке мінімум Vf - лише типовий і максимум - але припустимо, що це 1,8 В.

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

Тож світлодіодний струм може змінюватись від 2,4 мА до 4 мА = співвідношення 1: 1,666 в залежності від світлодіода Vf.

АЛЕ Vf в аркуші даних був на рівні 20 мА. У міру того, як падіння струму Vf впаде "дещо". Ось характеристики обраного світлодіода з його таблиці.

Ми можемо бачити, що Vf становить приблизно 1,7 В при 2 мА і приблизно 1,78 В при 4 мА, тому припущене значення 1,8 В досить добре для наших цілей.

• Е12 - найпоширеніша серія резисторів з 5% точністю - 12 резисторів на десятиліття.

Бажана серія номерів - знайдіть E12, а також прочитайте решту :-)

Специфіка E12 - значення та кольорові коди - більш цілеспрямована, але менш корисна в цілому

Почати потрібно з падіння світлодіодної напруги. Це те, що визначає струм, а не навпаки. Причина полягає в тому, що напруга світлодіода більш-менш фіксована, тоді як струм буде змінним і адаптується до вимог схеми.
KVL - це дійсно те, що вам потрібно. Якщо падіння напруги світлодіодів складе 2 В, то напруга резистора складе 3,3 В - 2 В = 1,3 В, а значить і струм в ланцюзі

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

Отже, якщо падіння напруги над резистором було б занадто великим, воно автоматично підлаштовується до нижчого значення, знижуючи струм.

Примітка: 50mA - це те, що може поставити штифт . Що вона реально постачає, залежить від того, що задається ланцюгом, а це не повинно бути вище. А в нашому випадку це набагато нижче, так що це нормально.

У більшості ситуацій вищезазначений розрахунок, який передбачає фіксований спад напруги світлодіодів, є достатнім, але іноді потрібно більш точну відповідь, яка враховує змінну напругу вперед. У більшості випадків у вас не буде рівняння струму проти напруги вперед, а лише графік. Це означає, що ви не можете вирішити це аналітично. Ми побачимо, що це легко вирішити графічно.

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

Дивіться також це питання, щоб дізнатися, як обчислити значення резистора.

Дві можливості:

• Поточний рейтинг - це те, що джерело живлення здатне обробляти без пошкоджень / перегріву, але не те, що потрібно вживати заходів, щоб обмежитися

• падіння напруги на світлодіоді вище, ніж ви думаєте, отже, падіння напруги через резистор і струм через нього нижче 50 мА. У випадковому аркуші світлодіодних даних, який я щойно викопав, було вказано напругу вперед 1,85 В - це призведе до краплі 1,45 В через резистор і струму 44 ма (що трапляється вдвічі більше, ніж рекомендується для світлодіода, який я вибрав - Ви можете розглянути більший резистор - старі комплекти радіосигналу використовуватимуть 680 Ом з 3-батарейним джерелом живлення)

Якщо у вас є вольтметр (або, можливо, власний аналоговий вхід ардуїно), ви можете виміряти напругу вузла між резистором та світлодіодом і визначити відповідні краплі через резистор та світлодіод, а отже, струм від падіння через відомий опір .

Коротка відповідь:

Струм не буде 0,05 А просто тому, що специфікація для живлення каже 0,05А; коли специфікація джерела живлення забезпечує струм, це лише максимум, який ви повинні спробувати взяти з нього. Що ви насправді отримуєте за струм, залежить від навантаження.

З огляду на це, ви можете отримати кількісні відповіді на цей конкретний випадок із приємних графіків, які були надані в інших відповідях.