LED i lampa w szeregu - dlaczego żarówka się nie świeci?

24

Mój 6-letni syn właśnie zaczął eksperymentować z zestawem Snap Circuits i już mamy bardzo podstawowe pytanie.

Jeśli ustawimy równolegle diodę LED i lampę zasilaną z baterii, wówczas zarówno dioda LED, jak i lampa świecą jasno.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Jeśli jednak ustawimy diodę LED i lampę szeregowo, tylko dioda LED się zaświeci.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Oczywiście prąd przepływa przez lampę (jeśli odkręcę żarówkę, dioda LED zgaśnie).

Dlaczego więc żarówka się nie świeci?

Jestem trochę tanią łyżwą, więc zamiast kupować odpowiednie obwody Snap, kupiłem podobny zestaw ogólny z Chin na eBayu (patrz: Zestaw bloków elektronicznych W-58 )

(Przepraszamy, jeśli jest to zbyt podstawowe dla tego forum, ale jeszcze nie znalazłem odpowiedzi za pośrednictwem Google)

Mark McLaren
źródło
1
Czy możesz podać nam nieco więcej podstawowych informacji? Pamiętam, że Snapcircuits to pewnego rodzaju prefabrykowane moduły, które można łączyć ze sobą i powinny być przyjazne dla początkujących, ale najprawdopodobniej będą miały dodatkowe elementy, które mogą być ważne dla dobrej odpowiedzi na to pytanie. Jeśli masz jakieś specyfikacje techniczne modułów (przynajmniej jakich dokładnie modułów używasz) lub szczegółowe, skoncentrowane zdjęcia, mogą być pomocne.
AndrejaKo
3
Dioda LED jest czerwoną diodą z ukrytym rezystorem 33 omów szeregowo, lampa ma napięcie 2,5 V / 300 mA. Czy użyłeś rezystora szeregowego (np. 100 omów) z diodą LED?
Spehro Pefhany
Nie, że jestem tego świadomy.
Mark McLaren
1
@ Mark McLaren W przeciwieństwie do lampy, której jasność jest kontrolowana przez moc (iloczyn napięcia i prądu) rozpraszaną przez drut, jasność diody LED jest proporcjonalna do prądu przepływającego przez diodę LED, jeśli napięcie jest wyższe niż określony poziom. Jest to wyjaśnione w odpowiedzi Kaz, ale oto trochę więcej danych: Po pierwsze, napięcie na module LED wynosi 3 V - Vf - 33 * I = 0, gdy mamy tylko diodę równolegle z żarówką. Tutaj Vf to specjalna dioda LED napięcia, którą należy włączyć. (ciąg dalszy)
AndrejaKo
1
Kiedy mamy zarówno diodę LED, jak i żarówkę w szeregu, równanie napięcia staje się następujące: 3 V - Vf - 33 * I -Rbulb * I = 0. Jestem prądem płynącym przez obwód. 33 to rezystancja dołączonego rezystora w module LED. Dioda LED jest w zasadzie tego rodzaju urządzeniem, że włączy się, gdy tylko przepłynie przez nią prąd, a napięcie źródła będzie wyższe niż Vf, natomiast żarówka nie będzie widoczna, dopóki moc rozproszona nie osiągnie wymaganego poziomu. To jeden z powodów, dla których diody LED zastępują żarówki w wielu urządzeniach jako lampki kontrolne.
AndrejaKo

Odpowiedzi:

19

W przypadku równolegle podłączonej diody LED i lampy każda z nich ma napięcie całego akumulatora na całej długości.

Po podłączeniu szeregowym napięcie na każdym z nich musi sumować się z napięciem akumulatora.

Bez podania więcej informacji niż podano, najbardziej prawdopodobną odpowiedzią jest to, że napięcie na lampie, które musi być równe napięciu akumulatora minus napięcie na diodzie LED, jest niewystarczające do wytworzenia światła widzialnego.

Podczas wpisywania tej odpowiedzi widzę, że dodałeś kilka zdjęć. Wygląda na to, że całkowite napięcie akumulatora wynosi około 3 V. Biorąc pod uwagę, że wiele diod LED ma napięcie przewyższające 2 V, pozostawia to mniej niż 1 V w poprzek żarówki.

Czy masz woltomierz z zestawem? Jeśli tak, zmierz napięcie na lampie dla połączenia szeregowego.

Alfred Centauri
źródło
8
Myślę, że ważniejszym punktem jest fakt, wspomniany przez Spehro w komentarzu, że lampa żarowa wymaga 300 mA, podczas gdy dioda LED zwykle pobiera mniej niż 20 mA, więc LED ogranicza prąd w obwodzie do tak niskiej wartości lampa nie tworzy światła widzialnego. Jeśli użyjesz dwóch lamsppsów szeregowo, a nie diody LED i lampy, obie lampy powinny słabo świecić, ponieważ będą miały około 150 mA.
Peter Bennett
8
@PeterBennett, prąd LED może się znacznie różnić, podczas gdy napięcie LED jest w przybliżeniu stałe, więc nie sądzę, aby twoje rozumowanie tutaj było prawidłowe. Dioda LED (ignorując dowolny wbudowany rezystor) ogranicza napięcie na lampie, a rezystancja lampy (która zmienia się w zależności od temperatury) ustawia prąd szeregowy.
Alfred Centauri
@ Peter: dioda LED nie jest rezystorem i na pewno nie „ogranicza prądu”. Rezystor jest umieszczony szeregowo, aby ograniczyć prąd, aby uniknąć spalania diody LED, ale prąd będzie zależeć wyłącznie od spadku napięcia na rezystorze, a nie diody LED. Jak wyjaśnił Alfred, dioda LED ma prawie stały spadek napięcia, co powoduje, że do lampy przykładane jest bardzo niskie napięcie, ale nie zapewnia liniowej rezystancji omowej jak lampa. Z drugiej strony lampa jest czysto (dobrze) głównie rezystancyjnym obciążeniem, gdzie prąd liniowo zależy od przyłożonego napięcia.
Groo
3
@Groo: Być może byłem trochę niechlujny w moich wyjaśnieniach. Spehro wspomina w swoim komentarzu, że część led zawiera rezystor 33 omów. Ponieważ zespół diod LED działa bez uszkodzenia diody LED, gdy jest podłączony bezpośrednio do akumulatora 3 V, należy go zaprojektować tak, aby pobierał mniej niż 30 mA przy 3 V, a zatem ograniczyłby prąd do mniejszego niż przy połączeniu szeregowym z 300 mA lampa.
Peter Bennett
12

Dioda LED obniża tak duże napięcie, że żarówka pozostało bardzo mało.

Masz tylko dwie baterie 1,5 V, które w szeregu są ledwie wystarczające na napięcie przewodzące diody LED.

Żarówki szybko gasną, gdy zmniejsza się moc, którą rozpraszają: moc jest kwadratem napięcia podzielonym przez opór.

Z tego właśnie powodu ściemnianie żarówek nie oszczędza dużo energii. Tylko niewielki ułamkowy spadek rozproszonej mocy prawie całkowicie przyciemnia żarówkę.

Włókna wytwarzają głównie ciepło i tylko niewielką część jako światło widzialne. Jest to bardzo wrażliwe na temperaturę, która jest bardzo wrażliwa na rozproszoną moc.

Spróbuj spojrzeć na lampę w ciemnym pokoju; możesz być w stanie zobaczyć słabą czerwoną poświatę. Ponadto światło z diody LED może uniemożliwiać dostrzeżenie słabego blasku, jaki gasi żarówka, nawet w ciemnym pokoju. Zakryj także diodę LED.

Kaz
źródło
7

MUSI być rezystor szeregowo z diodą LED. Dioda LED jest diodą, a diody gwałtownie zwiększają przepływający prąd, gdy przyłożone napięcie wzrasta powyżej pewnego punktu, znacznie poniżej 3 V. Bez opornika ograniczającego prąd dioda LED przepuszczałaby tyle prądu, że wypaliłaby się.

Poprzednie odpowiedzi, które mówią, że dioda LED spada napięcie, są prawidłowe, ale spadek występuje w kombinacji diody LED i ukrytego rezystora. Żarówka po prostu dodaje nieco więcej oporu, co nieco zmniejsza prąd, ale tylko nieznacznie przyciemnia diodę LED. Ale żarówka jest okradziona z minimalnego napięcia potrzebnego do zapalenia.

Ken Jackson
źródło
1
Najbardziej poprawna odpowiedź.
krs013
Warto wspomnieć, że wewnętrzny „ukryty” rezystor LED jest najbardziej odpowiedni dla konfiguracji pierwszego OP (obwód równoległy), w którym dioda LED jest w zasadzie podłączona bezpośrednio do 3V. Pozostałe 1 V jest następnie rozłożone na okablowanie i (na szczęście) ten wewnętrzny rezystor, który ogranicza prąd, aby uniknąć przepalenia diody LED. W drugim obwodzie nie zmienia to znacznie sytuacji (zakładając, że jest to 33 omów vs 300 omów lampy).
Groo
4

Dodatkowym i interesującym czynnikiem jest to, że odporność żarnika żarówki na zimno wynosi około 1/10 jej odporności na gorąco.

Zamiast 10 omów zimna nieoświetlona lampa jest prawdopodobnie bliższa 1 omowi.

P=I2R

Lampa szeregowa to niewiele więcej niż kędzierzawy kawałek drutu uzupełniający obwód światła LED.

Z drugiej strony przydatna może być funkcja dodatniego współczynnika temperatury żarówek; zobacz wczesny oscylator audio HP i przeczytaj o oscylatorach mostowych Wien .

SteveRay
źródło
Witamy w EE.SE! Ponieważ tak naprawdę nie jest to odpowiedź na pytanie, powinieneś opublikować go jako komentarz, a nie odpowiedź.
Joe Hass
To jest odpowiedź. Wyjaśnia, że ​​przy prawdopodobnym prądzie roboczym obwodu żarnik lampy nigdy nie jest wystarczająco podgrzewany do oświetlenia. Ponadto wprowadza koncepcje współczynnika mocy i temperatury, zarówno unikatowe, jak i istotne dla tego pytania.
Phil Frost
@PhilFrost Przepraszam, ale w odpowiedzi nie widzę czegoś takiego jak „niewystarczająco podgrzane”. Chociaż możesz wywnioskować to z odpowiedzi, nie sądzę, by OP to zrobił. Ta „odpowiedź” w ogóle nie wspomina o diodzie LED.
Joe Hass,
@JoeHass tak to robi: „Przy 20 mA prądu potrzebnego do pełnego oświetlenia diody LED”. Chociaż zgadzam się, że kwestia ta może nie być jasna dla sześcioletniego dziecka lub jego ojca eksperymentujących z SnapCircuits, próbuje odpowiedzieć na pytanie. Właściwym działaniem jest sugerowanie sposobów poprawy, a nie oznaczanie go do usunięcia. Zobacz „brak odpowiedzi” vs. „niezbyt dobra odpowiedź” , ale ta odpowiedź nie jest nawet „niezbyt dobrą odpowiedzią”, jest to tylko krótki opis prawdopodobnego poziomu zrozumienia PO.
Phil Frost
1
Odpowiadanie kontra komentowanie: Nie mogłem komentować z 0 punktami powtórzeń. Szukałem równowagi między ponownym sformułowaniem wszystkich zasad, które zostały już wyraźnie omówione i zaakceptowane przez PO, a niedostatecznością dodania nowych informacji. Stwierdzenie, że dioda LED w ogóle nie jest wspomniana, pomija fakt, że dioda LED jest wymieniona dwukrotnie (może nie wystarczająco szczegółowo?); odpowiedź była celowo skoncentrowana na nieoświetlonej lampie żarowej; powiedział, że niespodziewana ciemność lampy jest źródłem pytania OP.
SteveRay
3

Świetne pytanie! Jak wspomniano, jest to układ równoległy lub szeregowy. Równolegle zarówno lampa, jak i moduły LED otrzymują pełne 3 wolty. Szeregowo muszą dzielić 3 wolty, więc każdy dostaje trochę. Gdyby były to 2 żarówki tego samego rodzaju, każda dostawałaby 1/2 napięcia. 3 żarówki w szeregu, każda dostaje 1/3 i tak dalej. Moduł LED czyni go bardziej złożonym. Ale najpierw zróbmy największy problem.

EI=R3V0.3A=10Ω

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

A=3V1.xV10+33Ω1.9V43Ω1.1V43Ω

Do celów dyskusji, czerwone diody LED mają spadek napięcia do przodu wynoszący 1. (coś) wolta, zielony to około 2 woltów, niebieski jeszcze wyższy. Oczywiście mają one skończone wartości rezystancji, ale najłatwiej jest myśleć o nich po prostu usuwając to stałe napięcie. Prąd można następnie obliczyć jako napięcie pozostałe na rezystorze. Jeśli nie ma rezystora, musi istnieć bardziej skomplikowany sposób ograniczenia prądu.

Aby uzyskać więcej zabawy, połącz silnik elektryczny odpowiedniej wielkości z szeregiem z żarówką, zwróć uwagę na to, jak jasna jest żarówka, a następnie przyłóż jakieś obciążenie do silnika - delikatnie naciskając palec, łopatkę wentylatora lub łopatkę, aby poruszać powietrzem itp. Zobacz jakieś zmiany?

Bill IV
źródło
Co za świetna odpowiedź! Moje dziecko zmontowało jeden z tych obwodów zatrzaskowych i stwierdziłem, że zachowanie żarówki ze zwiększonym oporem jest sprzeczne z intuicją. Wyjaśnienie to wyjaśnia, że ​​rosnąca rezystancja zmienia ilość prądu pobieranego przez silnik, pozostawiając mniej prądu dostępnego w obwodzie. Matematyka jest taka fajna!
resplin
@resplin, dziękuję! Prawo Ohma jest użyteczne, eleganckie i pokazuje, dlaczego ważne jest, aby uczyć się algabry. Matematyka jest droga, droga, spoko!
Bill IV
2

Jednym ze sposobów wizualizacji, a zatem zrozumienia tego, co dzieje się w obwodzie, jest to bardzo uproszczone wyjaśnienie lub analogia, polegające na tym, że LED nie przepuszcza wystarczającej ilości prądu, aby zapalić lampę. Mówiąc prościej, ma znacznie większy opór niż lampa w istocie. Jeśli umieścisz dwie identyczne lampy w szeregu, obie powinny świecić równie jasno, tak jasno, jak dopuszczalny jest prąd dostarczany przez zasilacz. Jako bardzo prosta analogia, dwie 115-woltowe lampy AC o tej samej mocy umieszczone w szeregu wymagałyby + - 230 woltów, aby w pełni oświetlić.

Jednak dioda LED Ma znacznie większy opór niż lampa, a dokładniej jest półprzewodnikiem i ma przedni spadek napięcia.

Uproszczony: Spadek napięcia do przodu na diodzie LED o około 2 wolty przy powiedzmy poborze prądu 20mA (nie pamiętam teraz dokładnych liczb) i wygląda na konfigurację baterii 3 wolt, co pozostawia tylko około jednego wolta dla lampa. Również dioda LED nie przepuszcza wystarczającej ilości prądu, aby ogrzać żarnik (który jest sklasyfikowany jako cewka indukcyjna, a dioda półprzewodnikowa, więc moja analogia jest nieprecyzyjna), ale lampa prawdopodobnie nie zapaliłaby się w pełni, nawet gdyby napięcie zasilające było wyższe, aby skompensować dla przedniego spadku napięcia diody LED.

Mam nadzieję, że to ma sens. Przepraszam, jeśli nie, ale wpadam w pośpiech i zobaczyłem to tylko wtedy, gdy miałem zejść z linii i zrobić coś innego.

StansSongs
źródło
Mówienie, że LED nie „przepuszcza wystarczającej ilości prądu”, jest mylące. dioda LED nie ogranicza prądu w żaden sposób, po prostu zapewnia prawie stały spadek napięcia, co z kolei wpływa na resztę obwodu. Usuń wszystkie oporniki z obwodu, a dioda LED będzie przepuszczać wszelkie możliwe wyobrażalne prądy, dopóki nie uwolni magicznego dymu .
Groo
2

Twoje pytanie przypomina mi podobny eksperyment, w którym dwie nierówne moc, ale identyczne lampy napięciowe są połączone szeregowo. Do aranżacji zostaje nagle przyłożone napięcie dwukrotnie większe niż jedna z lamp - wystarczy obserwować, co się stanie. Wybierając napięcie, pamiętaj o bezpieczeństwie elektrycznym. Lampy o napięciu 6 woltów działałyby dobrze. Zasugeruj, że żarówka zatrzymująca / oświetlająca światło boczne przy 6 woltach byłaby w porządku. Ten eksperyment został wykorzystany podczas egzaminu praktycznego z fizyki GCE „A” około 30 lat temu!

Inną rzeczą, którą możesz wypróbować, jest podłączenie różnych lamp o napięciu 240 woltów z przezroczystymi szklanymi obudowami do 12 woltów - o ile dobrze pamiętam, lampy o mocy 25 W działają dobrze i dają delikatny blask żarnika, który jest bardzo przyjemny z widoku. Ponownie pamiętaj o bezpieczeństwie elektrycznym.

Nyge
źródło
1

Po prostu zignoruję na chwilę spadki napięcia i wyjaśnię to w kategoriach prądu.

Po umieszczeniu szeregowo z diodą LED prąd przepływający przez diodę LED również przechodzi przez żarówkę, ale ciepło wchodzące do żarnika (prąd podniesiony do kwadratu, pomnożony przez oporność żarówki) jest niewystarczające, aby żarnik wystarczająco się rozgrzał, aby wytworzyć widoczne światło .

Światło z diody LED jest w przybliżeniu proporcjonalne do prądu przepływającego przez nią, podczas gdy jasność żarówki (dla żarówki słabej / słabej!) Ma proporcjonalność bliższą sześcianowi prądu wejściowego. Jeśli umieścisz lampę „ziarno pszenicy” (20ma) w szeregu z diodą LED i wyregulujesz prąd, stanie się to jasne.

Teraz trochę fizyki: baterie stanowią prawie idealne źródło napięcia, ponieważ wewnątrz baterii zachodzi reakcja chemiczna, która przenosi elektrony z katody (+) do anody (-), dopóki różnica potencjałów między dwoma zaciskami nie osiągnie rozwarcia napięcie obwodu. Nazywam to Vbatt.

Po wykonaniu połączenia elektrycznego między dwoma zaciskami, elektrony przepływają w połączeniu zewnętrznym od (-) do (+) zacisku z powodu tej różnicy potencjałów, tworząc „obwód” elektronów. Ten przepływ elektronów zmniejsza różnicę potencjałów między zaciskami, powodując przyspieszenie reakcji i dostarczenie większej liczby elektronów, a prąd wzrasta. W ten sposób wytwarza rosnące napięcie w obciążeniu z powodu rezystancji. Różnica prądu i potencjału na zaciskach rośnie, aż wystarczy, aby zatrzymać wzrost szybkości reakcji. Matematycznie, I1 * R1 = Vbatt.

profesjonalny wrangler elektronów
źródło
-1

@ Mark McLaren Interesujące pytanie .... ale jeśli możesz zamienić pozycję diody LED i żarówki bez zmiany biegunowości (jak to jest) w obwodzie szeregowym, to żarówka zapali się, jeśli moja logika jest poprawna .... Nie trzeba dodawać, że napięcie najpierw spada na diodę LED, a pozostałe napięcie (napięcie 3 VOLT MINUS używane przez diodę LED) jest niewystarczające dla żarówki. chociaż ma wystarczający prąd, ponieważ jest szeregowo. Elektrony wypływają z - biegunowości akumulatorów w kierunku diody LED jako pierwsze i może dlatego napięcie najpierw spada na diodzie, a pozostałe na lampie ... spróbuj zamienić pozycję diody i lampy i sprawdź, czy lampa się zapala. .. mam nadzieję, że nawet dioda LED zaświeci się, ponieważ led wymaga niskiego napięcia, a pozostałe napięcie wystarczy na led. Jestem ciekaw

Amit Thakor
źródło
1
Ta odpowiedź wymaga lepszego formatowania, jest spóźniona o rok i nie dodaje się do istniejących odpowiedzi. Możesz go edytować, aby usunąć „bcoz” i użyć odpowiednich zdań.
David
Nie jestem pewien, co masz na myśli mówiąc o zmianie biegunowości, ale próbowałem zamieniać diody LED i żarówkę szeregowo i zawsze świeci dioda LED, a nigdy żarówka.
Mark McLaren,
Przepraszam ale nie. Kolejność żarówki i modułu LED nie ma wpływu. Spróbuj sam. Szeregowo cały prąd przepływający przez żarówkę musi przepływać przez moduł LED. Biegunowość diody LED i akumulatora musi być prawidłowa - katoda diody LED musi przejść do zacisku + akumulatora, a anoda do zacisku -, aby uzyskać przepływ prądu przewodzącego. (katoda - |> | - anoda) trójkąt w symbolu wskazuje od katody do anody. Diody Zenera działają do przodu ORAZ do tyłu, ale nie emitują światła ...
Bill IV