Що станеться, якщо світлодіод підключений до напруги живлення, що перевищує його падіння напруги?


9

Моє розуміння опору і напруги жахливе. Я чув, що згідно із законом Кірхгофа, (з моїх слів, будь ласка, виправте) напруга, яка використовується ланцюгом, повинна дорівнювати напрузі, що подається. Наприклад, якщо у мене був 9 В акумулятор, я повинен використовувати всі 9 В.

Скажімо, у мене є світлодіод із типовою напругою зміщення вперед 3,1 В, це означає, що він втрачає 3,1 В під час генерування світла. Чи загориться світлодіод, якщо використовується 9 В?

Це, швидше за все, правда, але приємний приклад дійсно зробить моє розуміння більш інтуїтивним.


2
Будь ласка, перефразовуйте тему та рядок заголовка, щоб зробити його зрозумілішим. Спробуйте використовувати терміни напруга, струм та опір.
skvery

3
Моє розуміння опору та напруги жахливо Можливо, ви хочете це виправити, вивчаючи та експериментуючи з мультиметром, лампочками та акумуляторами? Якщо ви хочете "зробити щось" з електрикою, тоді принаймні докладіть зусиль, щоб навчитися. Заздалегідь виправдовуватися - це так кульгаво (і ти не єдиний, що здається, це звичайно в ці дні).
Bimpelrekkie

9
@fake, як ти називаєш тоді запитання? Це не намагання навчитися?
Перехожий

3
Ключовий висновок, який ви повинні отримати з цих відповідей: приємні чисті моделі того, як працюють схеми, діють лише для «розумних» схем. Після того, як ви вирішите зробити щось поза сферою їх дії (наприклад, підключити світлодіод до акумулятора без резистора в ланцюзі), схема вже не буде легко моделювати з цими простими моделями. Тепер вам доведеться використовувати набагато більш повні моделі, які можуть забирати багато часу та ноу-хау. Найкраща ставка: не робіть поганих речей у своїх схемах, щоб тільки побачити, що станеться!
Корт Аммон

3
ІV криву було б дуже добре мати у відповіді
Ерік Джонсон

Відповіді:


28

Це одна з тих ситуацій, коли ваша проблема полягає не в тому, наскільки ви хороші в аналізі або які базові знання у вас можуть бути, а просто в тому, що ви не маєте поняття, чого не знаєте. Це завжди робить перший крок в електроніці дуже високим.

Що стосується вашого прикладу, чого ви не знаєте про акумулятор?

  1. Кінцева напруга ідеальної батареї ніколи не зміниться (принаймні, поки не буде використана вся ємність накопичувача енергії). Тому повинні бути фактори, які впливають на напругу клеми та її корисну енергетичну ємність. Швидкий список - хімія, об'єм матеріалів, температура та конструкція анода / катода.
  2. Практичний акумулятор має обмежену ємність, і багато інших факторів, що впливають на клемну напругу та потенційну здатність струму, можна перетворити на елемент моделі, який називається "Внутрішній опір". У моделі для більшості великих акумуляторів це будуть частки ома. Однак акумулятор також має інші елементи, такі як ємність та індуктивність, щоб зробити ситуацію більш складною. Ви можете почати з читання про моделях акумуляторів з текстами , такі як це .

Чудовим прикладом більшої батареї з дуже малим внутрішнім опором є автомобільний акумулятор на 12 В. Тут, коли ви запускаєте автомобіль, на перемикання мотора потрібно сотні Ампер (кВт потужності та струму в діапазоні 600 А), і напруга на клемі може знизитися з 13,8 В (повністю заряджений свинцево-кислотний акумулятор) до лише 10 В при закручуванні. Тож внутрішній опір може бути (використовуючи Закон Ома) лише 6 мільйонів або близько того.
Ви можете масштабувати роздуми на цьому прикладі на менші батареї, такі як батареї типу AA, AAA і C і принаймні починати розуміти складність акумулятора.

Тепер, що ви не знаєте про світлодіод?

  1. Складність електричної моделі для діода (будь то випрямляч чи світлодіод) величезна. Але ми можемо спростити це тут і сказати, що в самому простому ви можете представити діод за допомогою напруги Bandgap із серійним резистором. Ви можете почати тут, почавши дізнаватися про багато пакетів SPICE, і ця дискусія на StackExchange може стати гарним моментом.
  2. Усі напівпровідникові пристрої мають практичне обмеження в кількості потужності, яку вони можуть розсіювати. Це пов’язано насамперед з фізичними розмірами пристрою. Чим більший пристрій, тим більше потужності він зазвичай може розсіювати.

Тепер ви можете розглянути свій світлодіод. Спершу слід спробувати зрозуміти таблицю даних для пристрою. Хоча багато характеристик, які ви не зрозумієте, ви вже знаєте одну (з вашого запитання), напругу вперед (Vf), і ви, ймовірно, можете знайти поточний ліміт та максимальне розсіювання потужності в таблиці.
Озброївшись тими, кому ви могли розібратися в серійному опорі, вам потрібно обмежити струм, щоб не перевищити межу розсіювання потужності світлодіода.

Закон про напругу Кірхгоффа дає вам великий натяк, що оскільки напруга на світлодіоді становить приблизно 3,1 В (а крива струму даних вказує на те, що ви ніколи не можете застосувати 9 В), вам знадобиться інша складова модель в ланцюзі.

схематичний

імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab

Примітка: внутрішній опір акумулятора, показаний вище, просто задається для спрощення розрахунку. Залежно від типу акумулятора (основного або акумуляторного) внутрішній опір може змінюватися. Перевірте аркуш даних про акумулятор.

Чи може невідомий елемент вище бути просто дротом (жодного елемента)?
Це може .... але ми можемо легко обчислити результати.
З двома ідеальними елементами напруги (9 В і 3,1 В) резистори повинні мати поперек 5,9 В (контур напруги Кірхгофа). Тому струм струму повинен бути 5,9 / 10,1 = 584 мА.
Потужність, що розсіюється в світлодіоді, становить (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 Вт. Оскільки ваш світлодіод, ймовірно, має потужність лише 300 мВт або близько того, ви можете бачити, що він нагріється різко і, напевно, вийде з ладу протягом декількох секунд.

Тепер, якщо невідомий елемент - це простий резистор, і ми хочемо, щоб струм через світлодіод був, скажімо, 20 мА, нам достатньо для обчислення значення.

Кінцева напруга акумулятора буде (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 В Кінцева напруга світлодіода буде (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 В

Тож напруга на невідомому резисторі дорівнює 5.698, а струм через нього 20 мА. Отже, резистор 5,608 / 0,02 = 284,9 Ом.

За цих умов баланс напруг в контурі і світлодіод передає його проектне значення 20 мА. Тому його розсіювання потужності ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 мВт .... сподіваємось, добре в межах можливостей невеликого світлодіода.

Сподіваюсь, це допомагає.


1
Дуже гарна відповідь для ОП
User323693

2
@ SunnyskyguyEE75 Ні в якому разі в ОП питання не вказується акумулятор. Ви маєте рацію, що в лужному PP9 не буде 100 м Ом ... але є так багато різних акумуляторів, таких як ця ( надійна ). Ніде в питанні чи рішенні я не вказую акумулятор. Я наводив відпрацьований приклад у тексті та у відповіді, звертаючись до внутрішнього опору. Отож, ви знову просто шаблють, як шуміти.
Джек Крісі

1
Тож вкажіть, де згадується AA чи AAA? … .Просто 9В акумулятор… .не специфікація.
Джек Крісі

1
@ SunnyskyguyEE75 Ви хотіли підняти, що це може бути зроблено з 1,5В комірок. Ось лише звичайний літій високої ємності: data.energizer.com/pdfs/l522.pdf Це забезпечить принаймні 500 мА за короткий час. Звичайно, досить довго, щоб записати світлодіод.
Джек Крісі

1
Ідіть вперед і спустіть голову .... Я був би розчарований, якби не ви.
Джек Крісі

24

Так, швидше за все, світлодіод буде пошкоджений. Ось така коротка історія.

Насправді напруга акумулятора трохи знизиться, оскільки це виводить велику кількість струму (батареї мають внутрішній опір, який змінюється залежно від стану заряду, історії розряду, температури та інших факторів - можливо, кілька Ом для свіжого 9В акумулятора), і LED напруга буде збільшуватися (світлодіоди збільшення напруги зі струмом нелінійно) , поки дві точно зустрічаються (якщо ви ігноруєте трохи падіння в проводах).

Скажімо, напруга акумулятора падає до 5В, а акумулятор живить 1,5А. Це означає, що напруга світлодіоду вперед становить 5 В, і воно розсіюється 5 В * 1,5 А = 7,5 Вт, а це означає, що він дуже швидко вигорить, якщо припустити, що це невеликий індикатор 3 мм або 5 мм.

Якщо ваш світлодіодний індикатор 3.1V паралельно був купою світлодіодних кісток і був здатний безпечно поводитись (скажімо) 2A, з іншого боку, напруга акумулятора знизиться до приблизно 3,1 В (через внутрішній опір акумулятора, те саме, що вище), і світлодіод засвітився б із вхідною потужністю близько 6 Вт. Звичайно, акумулятор швидко вичерпається (у кращому випадку - інакше він може нагрітися і, можливо, сильно вибухнути. Деякі типи, такі як NiCd батареї чи певні незахищені літієві батареї, можуть бути більш небезпечними, ніж інші.


4
"акумулятор швидко вичерпається." - або спалити. Або вибухнути. Існують обмеження як для світлодіодів, так і для акумуляторів.
Молот

1
@ Молот на прикладі 9В акумулятора означає, що це малоймовірно. Я бачив два лужні РР3, укорочені разом і використовувані як рукоятка.
Кріс Х

@ChrisH краще безпечний, ніж вибачте, ми не можемо знати, чи будуть майбутні читачі використовувати PP3, або іншу настройку 9В, або навіть іншу напругу.
Молото

@ChrisH Це правда - якщо комусь не пощастило використовувати NiCd 9V, можливий вибух. Відповідь відредаговано.
Spehro Pefhany

1
@ChrisH Колега з Великобританії сказав, що його вибухнув, і я не маю жодних причин сумніватися в ньому - він використав товсту стінну сталеву трубу, щоб містити шматочки.
Spehro Pefhany

13

Ось що відбувається: по-перше, я правильно підключив зелений світлодіод до напруги 9 В за допомогою резистора 1 кОм, щоб вловлювати залишкову напругу.

Тоді без.

Обсмажувати зелений світлодіод, підключаючи прямо до напруги 9 В постійного струму

На диво, після чого знову з резистором світлодіод все ще працює, але помітно тьмяніший.

Не спробуйте цього вдома діти ... окрім чорта, чому б і ні ... це наука !

Чому він коротко світиться жовтим / червоним, перш ніж «світиться», я не знаю. Можливо, результат відрізняється для кожного типу світлодіодів.


1
Я хочу, щоб дим вийшов - будь ласка!
skvery

Гм, гаразд, можливо, я спробую завтра, що станеться, коли просто залишаю його підключеним до 9В більше декількох секунд ...
останнє про

1
Якщо хтось вирішить спробувати його, надіньте захисні окуляри. Світлодіоди, особливо старі - чорт, давні - можуть вибухнути і підірвати їх вершини. Більше нові світлодіоди, як правило, просто перестають працювати.
Середній Ваштар

Я згоден з @SredniVashtar, я використовував чіткі світлодіоди, які просто вигорають миттєво.
Блейк

Це схоже на 10-мм "яскраво-білі" світлодіоди, що працюють без резистора. Вони світяться просто чудово. Але потім затьмаріть. Тоді тьмяніший. Потім капут.
SDsolar

8

На практиці у вашому гіпотетичному прикладі є деякі «приховані» або паразитичні резистори, про які ви не знаєте. Для початківців акумулятор має внутрішній опір серії. Світлодіод також має опір, як і всі електропроводки у вашій схемі. Падіння напруги на всіх цих резисторах плюс внутрішнє падіння напруги світлодіода призведе до напруги акумулятора.

Питання лише в тому, при якому потоці це відбувається? Якщо він досить високий, ваш світлодіод буде готувати і згоряти. Додатковий опір у вигляді фактичного резистора послідовно зі світлодіодом запобіжить цю проблему. Визначення значення резистора - це можливість застосувати закон Ома.


3
І зауважте, що саме тому літієві батареї настільки небезпечні - їх внутрішній опір є достатньо низьким, що вони можуть запустити пожежу, якщо короткий час.
Лорен Печтел

6

Ця діаграма з вольтами на Xaxis та струмом на Yaxis використовується для графічного «вирішення» рівняння для 2-компонентних в серії подільників напруги. Він може бути використаний для чисто-резистивного подільника, або, як тут, для діода та резистора.

схематичний

імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab

Поставте другий компонент послідовно, щоб поділити напругу. Наприклад, ви хочете, щоб світлодіод працював безпечно зі своїми 3,1 вольтами, і у вас є резистор, щоб використовувати непотрібні [9 - 3.1] = 5.9 вольт. При 10mA (який ви можете бачити як 100 Ом на вольт), вам потрібно 100 Ом / Вольт * 5,9 вольт = 590 Ом. Загальні значення - 560 Ом і 620 Ом.

Тут вам потрібна послідовна схема: джерело на 9 вольт, а потім ДВА компоненти, щоб розділити напругу акумулятора.


Тепер давайте зможемо використовувати той же ІV графік як номограф для вирішення резистивного дільника напруги.

схематичний

моделювати цю схему


Цей, хто проголосував. Це найбільш технічно точна відповідь.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Але для запобігання вигорання 20mA = 6V / 20mA = 300 Ом, розрахованого на 1 / 4W або більше
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

5

Відповідь на ваше заголовкове запитання: Світлодіод загориться.

Застереження полягає в тому, що ваш струм знаходиться в межах мінімальних та максимальних меж відповідної світлодіоди.

Низький струм призведе до того, що він буде горіти слабко, а номінальний струм призведе до яскравого горіння. Занадто багато струму підірве світлодіод.

Ви обмежуєте струм потрібним значенням (часто 15-20 мА), вводячи правильний опір у ланцюг.

Використовуйте закон Ома, щоб вирішити це. R (ом) = V (вольт) / I (ампер).

У розумних межах напруга відносно світлодіода не має значення, саме його вимкнено струм. Звичайно, ви повинні мати напругу, достатню для перевищення внутрішнього падіння напруги світлодіода на нижньому кінці.


3
Насправді одна з найкорисніших відповідей, приємно підсумована "напруга досить не має значення для світлодіода" Дякую.
Блейк

2
Сюди прийшла відповідь
Флоріан Кастеллайн

3

Не всі джерела напруги 9 В рівні. Деякі задують світлодіод, а деякі - ні. (Це залежить від струму короткого замикання або внутрішнього опору.)

9 В - 3,1 В = 5,9 В 'відсутня'. Це падає всередині джерела живлення 9 В, провід і всередині світлодіода. (Це опори, що спричиняють втрату напруги або падіння напруги.)

Дуже важко що-небудь дути без тепла, (крім статичного в MOS.) Нагрівання потребує часу, щоб накопичити (і випустити дим. :-)

Тепло, що руйнує світлодіод, обумовлено напругою 3,1 В, внутрішнім опором світлодіода, струмом (В / Р) та часом. Частина тепла (до того, як з’явиться дим) втрачається в навколишньому середовищі. Ось чому радіатори використовуються в деяких контурах для запобігання задимлення.

Я сподіваюся, що це просте пояснення допоможе вам почати працювати з Google

V=IR ,
P=VI
і
E=Pt .

2

У першому наближенні, нехтуючи внутрішніми опорами, світлодіоди мають експоненціальні характеристики введення / виводу вперед. Насправді, це характеристики перехідного поляризованого з'єднання: реальні пристрої мають внутрішній опір послідовно, як правило, кілька Ом.

"Номінальний" падіння напруги світлодіода - це лише одна точка за характеристиками, як правило, напруга, яка відповідає 20 мА, або визначений номінальний прямий прямий струм.

Перекладаючи світлодіодні полюси на акумуляторні батареї, ви створюєте послідовну схему, яка включає "ідеальне" джерело напруги 9 В, світлодіод та внутрішній опір акумулятора (скажімо, 2 Ом)

Робоча точка вашого світлодіода - це перетин його передових характеристик із навантажувальною лінією, що визначається напругою джерела (9В) та внутрішнім опором акумулятора. Падіння напруги на вашому світлодіоді буде набагато вище, ніж номінальне 3,1 В.

Якщо ваш світлодіод не є пристроєм високого струму, струм перевищить номінальне значення, і світлодіод буде страждати або дути.


1
Хороша відповідь. Що саме ви маєте на увазі під "Робочою точкою вашого світлодіода - це перетин його прямолінійних характеристик із лінією навантаження, що визначається напругою джерела (9В) та внутрішнім опором батареї", чи є візуальне зображення цього? Дякую!
Блейк

2

Світлодіоди (і діоди взагалі) трохи дивні. У першому наближенні нижче порогового значення напруги не може протікати струм, над ним немає обмеження на витрату струму.

Подумайте про це як греблю, коли вода знаходиться нижче греблі, вона повністю заблокована. Як тільки рівень води перевершить дамбу, її потік не обмежений, однак ви все одно втрачаєте суму, яку тримаєте за дамбою.

Тож із світлодіодом з порогом 3,1 В, якщо ви застосовуєте 9 В, у вас є ще 5,9 В для використання. Це буде використано резисторами в ланцюзі, як описано законом Ома, V = I * R. Якщо ви не додали резисторів, то R - це внутрішній опір акумуляторів та опір ваших проводів. Ці внутрішні опори, як правило, досить малі, що ви можете їх ігнорувати, але в цьому випадку вони все є у вас. Невеликі опори і фіксована напруга означає, що струм буде дуже високим. Світлодіод матиме максимальний струм, який він може вижити, приблизно 20 мА для типових світлодіодів. Якщо ви перевищите це, вони перегріють і руйнують себе.

Як я вже говорив на початку, це лише наближення світлодіода, на практиці падіння напруги збільшується зі струмом. Однак цей приріст не величезний, як правило, якщо ви стикаєтеся з ситуацією, коли вам потрібно враховувати це, ви або робите щось дуже чутливе, щось високу потужність, або ви занадто близько до меж компонентів для початку. Зростання, безумовно, недостатньо, щоб вплинути на кінцевий результат у цьому сценарії.


Дійсно гарне пояснення. Яка різниця між пороговою і напругою вперед? Деякі кажуть, що FV - 3,1 В, але ви кажете, що це поріг. Крім того, це СУЧАСНИЙ, який спалює світлодіод, або НАПРЯМКА? Дякую!
Блейк

1

Все має опір. Період!

  • Сюди входять акумулятори (ESR), діоди (Rs), індуктори (DCR), кришки (ESR) і навіть резистори (R);)
    • “Кільцева напруга Кірхгофа” (KVL) ”вчить користуватися цим“ лівим напругою ”
      • це після того, як всі напруги живлення додаються або віднімаються
      • із сумою всіх частин у серії, які мають кожен опір
    • таким чином, KVL навчає, як обчислити отриманий струм або витрату зарядів в одиницях Ампер або "Ампер" = 1000 міліампер (мА)
  • таким чином, цей “залишок V” перетинається сумою всіх частин R у циклі.

    • коли це хороший провідник, ми зазвичай (але не завжди) ігноруємо опір і падіння напруги.
  • тому I = V / R кожної деталі після залишкової напруги та суми опору петлі, вираженого у співвідношенні.

  • частини, які можуть працювати з великою кількістю енергії, повинні мати низький R (крім теорії початкової школи, ми говоримо, що ідеальні батареї мають R = 0)

  • всі діоди подібності мають нижчий опір вище порогової напруги, Vt, якщо номінальна більша потужність, при номінальному прямому напрузі Vf

3В світлодіод має поріг близько 2,8 В, а потім може бути 3,1 В +/- 10% залежно від широкої толерантності та, звичайно, потужності

 - 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 чином, з одним світлодіодним світлодіодом 1 Вт та однією лужною батареєю 9 В яка напруга та залишковий струм?

  • Як вибрати R для обмеження цього струму?
  • Як вибрати номінальну потужність і підвищення температури.

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

вирішити для R

Підказка, якщо R = 0, світлодіод стає яскравим і занадто гарячим, щоб вижити

Кришки мають ШОЕ, але як ізолятори = діелектрики, вони блокують постійний струм, але проводять змінного струму.


1
Супер пізно, але це також дуже корисна відповідь. Особливо математичне та висвітлене пояснення. Знову дякую.
Блейк

0

Нам ніколи не говорили, чи батарея, використана у відео, - це китайський вугле-цинковий тип "Super Heavy Duty", який протягом року просочувався у своїй упаковці та купувався у The Dollar Store, чи це новий сучасний лужний бренд Name-Brand. один. ВЕЛИЧНА різниця.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.