Dlaczego potrzebujemy oporników w diodach led

Badałem i mówi, że oporniki ograniczają prąd przepływający przez diodę LED.

Ale to stwierdzenie myli mnie, ponieważ wiemy, że w obwodzie szeregowym prąd jest stały w każdym punkcie, więc dlaczego rezystor może ograniczyć przepływający prąd?

Diody LED mają na nich dość stałe napięcie, takie jak 2,2 V dla czerwonej diody LED, która tylko nieznacznie rośnie wraz z prądem. Jeśli doprowadzisz 3V do tej diody LED bez rezystora szeregowego, dioda LED spróbuje ustawić kombinację napięcia / prądu dla tego 3V. Przy takim napięciu nie ma prądu, teoretycznie byłoby to 10s, może 100s amperów, które mogłyby zniszczyć diodę LED. I dokładnie tak się dzieje, jeśli Twój zasilacz może dostarczyć wystarczającą ilość prądu.
Tak więc rozwiązaniem jest rezystor szeregowy. Jeśli Twoja dioda LED potrzebuje 20mA, możesz obliczyć dla czerwonej diody LED w przykładzie

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

Możesz myśleć, że bezpośrednie zasilanie 2,2 V również będzie działać, ale to nieprawda. Najmniejsza różnica w diodzie LED lub napięciu zasilania może spowodować, że dioda LED zaświeci się bardzo słabo, bardzo jasno, a nawet zniszczy. Rezystor szeregowy zapewni, że niewielkie różnice napięcia będą miały niewielki wpływ na prąd diody LED, pod warunkiem, że spadek napięcia na rezystorze jest wystarczająco duży.

Chodzi o to, że dioda LED jest diodą, a diody mają bardzo mały opór wewnętrzny (oczywiście w kierunku „do przodu”), więc jeśli nie ma czegoś innego w szeregu, ogólna rezystancja jest bardzo niska, a prąd jest ledwo ograniczony, a ten ledwo ograniczony prąd może uszkodzić diodę LED i przeciążyć obwód, który ją zasila.

Tak, masz całkowitą rację, że prąd jest taki sam w każdym punkcie obwodu, gdy elementy są połączone szeregowo, ale kiedy dodajesz rezystor, zwiększasz całkowitą rezystancję serii, a to zmniejsza prąd.

Zawsze ze skomplikowanymi odpowiedziami ;-). Spójrz na to w ten sposób. Co się stanie, gdy położysz drut na zaciskach akumulatora? W idealnym świecie otrzymujesz nieskończony prąd, który topi drut. Nazywamy to krótkim curcuitem. Ponieważ diody są zaprojektowane tak, aby miały minimalny opór do przodu, uzyskujemy taki sam efekt jak zwarcie. Umieść tam rezystor, aby zapewnić coś, co będzie odporne na prąd, aby ograniczyć go od nieskończoności

Wyobraź sobie, że

• Miałeś silnik napędzany wodą, którego prędkość była proporcjonalna do przepływu prądu.

• Sam silnik miał bardzo mały opór dla przepływu prądu - trzeba było kontrolować przepływ prądu na zewnątrz pompy.

• Masz pompę zdolną do pompowania 10 litrów na sekundę przez 10-metrową rurę do silnika, a następnie przez silnik, a następnie przez kolejną 10-metrową rurę do strony ssącej pompy. (Szybkość przepływu była związana z ciśnieniem wytwarzanym przez pompę i oporem rurociągu - tj. NIE pompą wyporową.

• Podczas pracy pompy okazało się, że silnik pracował DUŻO zbyt szybko i że trzeba ograniczyć przepływ do około 1 litra / sekundę.

Aby spełnić ten wymóg, można umieścić zawór redukcyjny w obwodzie, aby obniżyć większość ciśnienia i ograniczyć przepływ. Zawór działał, aby obniżyć na nim pewną wartość ciśnienia przy danym natężeniu przepływu i jako regulowany. (Chodzi o to, ile działa zawory wody rel).

Można umieścić KAŻDY zawór w obwodzie i osiągnie on pożądany rezultat. Może znajdować się na wlocie lub wylocie pompy lub na wyjściu lub wlocie silnika lub w dowolnym miejscu w dowolnej rurze.

Jest to ścisła analogia do pytania LED. Prąd musi być ograniczony, ponieważ jest zbyt wysoki bez ogranicznika. Ogranicznik można umieścić w dowolnym miejscu obwodu.

Z baterią - obwód LED rezystora

Dioda LED ma określony zdefiniowany spadek napięcia przy wybranym prądzie.
Mówiąc konkretnie, powiedzmy, że przy 20 mA dioda LED spada dokładnie o 3,00 wolta. Jest to typowe dla niektórych nowoczesnych diod LED.
Jeśli chcemy, aby dioda LED działała przy 20 mA, MUSIMY ustawić, aby spadła 3 V - nie więcej i nie mniej.
Jeśli chcemy użyć źródła zasilania 9 V do obsługi diody LED, N = MUSIMY „pozbyć się” 9-3 = 6B.
Rezystor to robi.
Aby obniżyć 6 V przy 20 mA, wymagany rezystor to R = V / I = 6 / 0,02 = 300 omów.
W tym przykładzie bateria 9 V + rezystor + dioda LED będą działać przy 20 mA. Rezystor można umieścić przed lub za diodą LED. Prąd jest upuszczany na nim w dowolnej lokalizacji.

Nie ma znaczenia to pytanie, ale niezwykle ważne jest, aby wiedzieć, że to stwierdzenie

• „wiemy, że w tej serii obwodów prąd jest stały w każdym punkcie”.

jest nieprawidłowe.

Jest wiele obwodów, w których jest to rue, ale także wiele obwodów, w których to nie jest prawda.
W obwodach prądu stałego z tylko elementami rezystancyjnymi, takimi jak ta 1 dioda LED, 1 obwód opornika, to prawda. ALE kiedy obecne są elementy reaktywne, takie jak cewki indukcyjne i kondensatory lub niektóre inne elementy nieliniowe, wówczas często NIE jest to prawdą.

Skupmy się na tym, co jest tutaj ważne: krzywa charakterystyczna diody LED (która jest diodą). Proszę spojrzeć na to obraz z wikipedii. Jak widać, dla dodatnich napięć na diodzie jego prąd rośnie wykładniczo. Wyobraź sobie, że teraz podłączasz diodę LED do źródła zasilania bez rezystora. Trzeba będzie ustawić dokładne napięcie na diodzie, aby uzyskać dokładny prąd potrzebny do zapalenia diody LED. Jeśli z jakiegokolwiek powodu twój zasilacz wzrośnie nieco powyżej wymaganego napięcia, wówczas prąd będzie wykładniczo wyższy niż wcześniej, co może (będzie!) Uszkodzić diodę. Jak więc opornik może nam pomóc w rozwiązaniu tego problemu? INFORMACJE ZWROTNE! Jedna z najważniejszych koncepcji w elektronice! Wróćmy do naszego przykładu i dodaj rezystor szeregowo z diodą i zasilaczem. Teraz, za każdym razem, gdy Twój zasilacz przekroczy napięcie nominalne, dioda ponownie zwiększy wykładniczo swój prąd, ale ponieważ prąd stał się wyższy, napięcie na rezystorze również będzie wyższe, co oznacza, że ​​napięcie na diodzie spadnie, kompensując zasilacz wzrost napięcia.

LED to dioda wykonana z materiału półprzewodnikowego, który wytwarza fotony światła, gdy prąd przepływa przez materiał. Im więcej prądu przechodzi przez diodę LED, tym więcej światła emituje dioda LED, tym jaśniej będzie. Istnieje jednak górna granica, czyli ilość prądu wystarczająca do uszkodzenia diody LED.

Dioda LED zapewnia niewielki opór przepływającemu przez nią prądowi. Większość niewielkiej rezystancji, jaką oferuje, pochodzi z energii traconej z emitowanego światła, a wytwarzanie fotonów jest tak wydajne, że rezystancja jest bardzo znikoma. Jednak wraz ze wzrostem prądu, zwiększając ilość światła, dioda LED w pewnym momencie ulegnie awarii, ponieważ ilość prądu przepływającego przez diodę powoduje awarie materiałowe. Przy wystarczająco dużych ilościach prądu, parowanie materiału katastroficznego może spowodować niewielki wybuch w zewnętrznej powłoce LED. Przy niższych poziomach prądu w obwodach cyfrowych 3,3 V lub 5 V najbardziej prawdopodobnym rezultatem jest awaria materiału półprzewodnikowego i przestaje on przewodzić, a dioda LED już nie świeci.

Jak napięcie w obwodzie wpływa na pobór prądu przez diodę LED? Ponieważ dioda LED jest rodzajem diody, równanie Shockley diody opisuje prąd dozwolony przez diodę przy różnych poziomach napięcia. Równanie pokazuje, że wyniki funkcji Shockleya dla danego zakresu napięcia są zgodne z krzywą wykładniczą. Oznacza to, że niewielkie zmiany napięcia mogą powodować duże zmiany prądu. Tak więc użycie diody LED w prostym obwodzie, którego napięcie jest wyższe niż napięcie przewodzące diody LED, może spowodować, że dioda LED pobierze niespodziewanie więcej prądu niż zalecane poziomy, co spowoduje awarię diody LED.

Zobacz temat Wikipedia LED Circuit oraz temat Wikipedii Równanie diody Shockleya .

Pomysł polega więc na zaprojektowaniu obwodu LED tak, aby ograniczyć ilość prądu przepływającego przez diodę LED. Chcemy zrównoważyć posiadanie wystarczającej ilości prądu, aby spowodować pożądany poziom jasności bez posiadania tak dużej ilości, że zawodzi materiał LED. Najczęstszą metodą ograniczania prądu jest dodanie rezystora do obwodu.

Dioda LED powinna mieć kartę danych, która opisuje jej właściwości elektryczne i tolerancje. Na przykład patrz ta karta danych Model nr: YSL-R531R3D-D2 .

Pierwszą cechą, która nas interesuje, jest (1) jaki jest maksymalny prąd, który dioda LED może wytrzymać, zanim możliwe jest uszkodzenie materiału, co prowadzi do awarii diody LED, oraz (2) jaki jest zalecany zakres prądu. Te i inne Maksymalne Oceny dla typowej standardowej czerwonej diody LED (różne diody LED będą miały różne wartości) są w tabeli, jak pokazano poniżej.

W tabeli z arkusza danych dla tej standardowej czerwonej diody LED widzimy, że maksymalny prąd wynosi 20mA, a zalecany zakres to 16mA do 18mA. Ten zalecany zakres to prąd, w którym dioda LED ma być najjaśniejsza, nie ryzykując jednak awarii materiału. Widzimy również, że znamionowe rozpraszanie mocy wynosi 105 mW. Chcemy mieć pewność, że w naszej konstrukcji obwodów LED pozostajemy w zalecanych zakresach.

Patrząc w następnej tabeli, znajdujemy wartość napięcia przewodzenia dla diody LED o wartości 2,2 V. Wartość napięcia przedniego to spadek napięcia, gdy prąd przepływa przez diodę LED w kierunku do przodu, od anody do katody. Zobacz Co to jest napięcie „do przodu” i „do tyłu” podczas pracy z diodami? .

Gdybyśmy zastosowali tę diodę LED w obwodzie o napięciu 2,2 V i prądzie 20 mA, dioda LED rozproszy 44 mW, co znajduje się w naszej strefie bezpieczeństwa rozpraszania mocy. Jeśli prąd zmieni się z 20mA na 100mA, rozproszenie będzie 5 razy większe lub 220mW, co jest znacznie powyżej znamionowego rozproszenia mocy 105mW dla LED, więc możemy spodziewać się awarii LED. Zobacz Co stanie się z moją diodą LED, gdy dostarczę zbyt dużo prądu? .

Aby zmniejszyć prąd przez diodę LED do zalecanych poziomów, wprowadzimy rezystor do obwodu. Jakiego rezystora wartości należy użyć?

Możemy obliczyć wartość rezystora przy użyciu Prawo omów V = I x R. Dokonamy jednak transformacji algebraicznej, ponieważ chcemy rozwiązać problem Oporu zamiast Napięcia, dlatego zamiast tego używamy wzoru R = V / I.

Wartość I, prąd w amperach, jest dość oczywista, wystarczy użyć zalecanego minimum 16mA lub .016A z arkusza danych LED w przekształconej formule. Ale jaką wartość powinniśmy zastosować dla woltów, V?

Musimy użyć spadku napięcia rezystora, który stanowi wkład rezystora w całkowity spadek napięcia w całym obwodzie. Będziemy więc musieli odjąć udział spadku napięcia diody LED od całkowitego napięcia obwodu, aby określić wymagany spadek rezystancji. Spadek napięcia diody LED to wartość napięcia przewodzenia, spadek napięcia w kierunku do przodu od anody do katody, z powyższej tabeli.

Dla standardowego projektu Raspberry Pi wykorzystującego szynę 3.3v jako źródło zasilania obliczenia byłyby następujące (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

Dlaczego więc wartość rezystora, na przykład 200 omów, jest powszechnie stosowana, gdy obliczenia wskazują 69 omów?

Łatwa odpowiedź jest taka, że ​​rezystor 200 omów jest powszechnym rezystorem zawartym w wielu zestawach eksperymentalnych. Chcemy zastosować wspólny rezystor, jeśli światło emitowane przez diodę LED nie zmniejszy się zauważalnie.

Więc jeśli zmienimy z rezystora 69 omów na rezystor 200 omów, jaka będzie zmiana prądu? Ponownie używamy prawa Ohma tym razem do rozwiązania problemu prądu w obwodzie I = V / Rlub, 3.3v / 200 ohms = .0165Agdy spojrzymy na arkusz danych LED, widzimy, że ta wartość mieści się w zalecanym zakresie od 16 mA do 18 mA, więc dioda LED powinna być wystarczająco jasna.

Po prostu diody LED mają niski opór, jeśli po podłączeniu do samego pola bitwy prąd przepływający przez nią będzie bardzo wysoki (I = V / R), wysoki prąd oznacza większą rozproszoną moc w rezystancji małej diody LED, co prowadzi do spalenia diody (termicznie), ponieważ materiał ma bardzo niską stałą przenikania ciepła.

Zauważ, że rozproszona moc = (I ^ 2 × R).