Tegangan turun dan arus untuk LED?

Saya membuat sirkuit berikut di papan tempat memotong roti dan menggunakan catu daya Arduino Uno 3.3V untuk catu daya:

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

Disebutkan di situs web Arduino bahwa pin 3.3V memiliki arus 0,05A. Menurut KVL ini akan memberi kita 3,3V - (330 Ohms * 0,05A) - Penurunan tegangan LED = 0

Menurut persamaan, penurunan tegangan pada LED akan negatif dan karenanya LED TIDAK boleh hidup. Namun, pada papan tempat memotong roti LED menyala ... MENGAPA? Ini sepenuhnya bertentangan dengan teori dasar ... apakah ini normal? atau ini hanya mungkin karena saya telah membuat kesalahan di suatu tempat? = O

Masalahnya adalah Anda belum (belum) memahami teori dasar yang benar untuk diterapkan :-).

Namun - selamat untuk mencoba menyelesaikannya sendiri. Pertahankan dan Anda akan segera terbiasa dengan cara menghitungnya dengan benar.

Tegangan dan arus dan resistansi dapat dimodelkan dengan cukup baik dengan analogi air. Tegangan mirip dengan tekanan pompa atau tekanan "head" di reservoir, arus mirip dengan aliran arus dan resistansi mirip dengan resistansi pipa terhadap aliran air atau resistansi terhadap aliran yang ditawarkan oleh motor hidrolik.

JADI "kesalahan" dengan model Anda mengasumsikan bahwa peringkat Arduino saat ini adalah yang mendorong apa yang terjadi, ketika apa yang menjadi masalah adalah tegangan atau tekanan pompa.

Jika sirkuit 3V3 Arduino memiliki peringkat 50 mA, ini adalah arus maksimum yang harus dibiarkan mengalir , dan bukan jumlah arus yang harus mengalir.

Menggunakan diagram sirkuit seni ASCII Anda:

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

Persamaan kunci di sini (satu pengaturan hukum Ohm) adalah

• I = V / R

Ini mengatakan bahwa arus akan meningkat dengan meningkatnya Tegangan yang diterapkan dan akan berkurang dengan meningkatnya resistansi. Ada faktor tambahan yang dilemparkan ke sini hanya untuk membuat segalanya lebih menarik. LED bertindak kira-kira seperti "sink" tegangan konstan. Yaitu, karena arus meningkat di atas batas awal, tegangan tidak akan meningkat secara linear dengan arus - ia akan meningkat tetapi pada tingkat yang lebih rendah daripada laju kenaikan arus.

Menyusun ulang persamaan yang Anda dapatkan

• R = V / I

Ini memungkinkan Anda untuk menghitung nilai resistor yang diperlukan yang diperlukan untuk mendapatkan arus yang diberikan dengan tegangan yang tersedia. Sebelum kita bisa menerapkannya ada "gotcha" yang perlu kita pahami.

Ketika dioperasikan dalam rentang desainnya saat ini, sebagian besar LED memiliki rentang voltase yang cukup terbatas. LED putih modern dapat mulai memancarkan cahaya secara nyata dengan kira-kira 2.8V "drop" pada LED, memiliki setetes katakanlah 3V3 (= 3,3 Volt) pada 20 mA (yang biasanya merupakan desain oprating saat ini maksimum untuk LED bertuntun 3mm dan 5mm ,) dan terbakar dari kelebihan arus di katakanlah 3V8 melintasi LED. Angka-angka khas akan bervariasi tetapi itu memberikan beberapa ide. LED merah modern mungkin memiliki drop tegangan maju ketika dioperasikan pada arus pengenal 2.5 V dan LED inframerah dapat beroperasi pada 1.8V khas. Saat menghitung arus LED, Anda dapat mulai dengan menggunakan penurunan tegangan maju tipikal dari lembar data LED.

LED merah yang khas

Berikut datasheet untuk LED merah modern yang khas . Ini adalah Kingbright WP7113ID. Saya memilihnya dengan mencari LED timbal 5mm in-stock termurah yang dijual di Digikey. Dalam 1 adalah 11 sen AS.

Datasheet mengatakan tegangan maju biasanya 2,0V pada 20 mA jadi saya akan menggunakan angka itu.

Operasi pada 20 mA

Karena LED memiliki tegangan kira-kira konstan di atasnya kita perlu mengurangi tegangan dari tegangan yang tersedia yang akan "memompa" arus melalui resistor. Kami akan merancang sirkuit untuk memberikan 20 mA - LED nilai maksimum diberi nilai. Jadi formula kami sebelumnya menjadi.

• R = (V_supply - V_LED) / I

Untuk V_LED = 2v0 dan Vsupply = 3V3 kita dapatkan

• R = (3.3 - 2.0) / .020 = 1.3 / .02 = 65 ohm.

68 Ohm adalah nilai resistor "E12" * standar terdekat.

Tegangan jatuh pada resistor = 3,3 - 2,0 = 1,3V - seperti di atas. Lembar data mengatakan bahwa LEd's VF MUNGKIN sebanyak 2V5 pada 20 mA. Mari kita lihat apa yang akan terjadi jika kita menggunakan LED dengan Vf = 2.5V pada 20 mA.

Seperti di atas I = V / R = (Vsupply-VLED) / R

Di sini kita sekarang menggunakan I = (3.3-2.5) / 68 = 0.8 / 68 = 0.00176A ~ = 12 mA.

Jadi kami merancang untuk 20 mA tetapi mendapat sekitar 12 mA dalam hal ini. Demikian pula, jika Vf LED lebih rendah dari 2.0V pada 20 mA (seperti yang bisa terjadi) saat ini akan lebih tinggi dari 20 mA. Secara keseluruhan, arus LED dapat bervariasi> 2: 1 karena variasi produksi dalam Vf LED. Inilah alasan mengapa desain drive LED "nyata" menggunakan sumber arus konstan, atau sirkuit yang mendekati sumber arus konstan. Tapi, itu cerita lain.

Pengoperasian dengan resistor 330 ohm

Untuk resistor 330R Anda.

Dengan LED Vf = 2V0. I_LED = V / R = (3.3-2V) / 330 = ~ 4 mA

Dengan LED Vf = 2V5. I_LED = V / R = (3.3-2.5V) / 330 = ~ 2.4 mA

Datasheet tidak mengatakan apa minimum Vf - hanya khas dan maksimum - tetapi mari kita asumsikan 1.8V.

I_LED = V / R = (3.3-1.8) / 330 = 4.5 mA

Jadi arus LED dapat bervariasi dari 2,4 mA hingga 4 mA = rasio 1: 1.666 tergantung pada LED Vf.

TAPI Vf dalam lembar data berada pada 20 mA. Sebagai tetes saat ini Vf akan jatuh "agak". Berikut karakteristik LED yang dipilih dari datasheet-nya.

Kita dapat melihat bahwa Vf adalah sekitar 1,7V pada 2 mA dan sekitar 1,78V pada 4 mA sehingga nilai yang diasumsikan 1,8V cukup baik untuk tujuan kita.

• E12 - seri resistor paling umum dengan akurasi 5% - 12 resistor per dekade.

Seri nomor pilihan - cari E12, dan kemudian baca sisanya juga :-)

E12 spesifik - nilai dan kode warna - lebih fokus tetapi kurang bermanfaat secara keseluruhan

Anda harus mulai dengan penurunan tegangan LED. Itu yang menentukan arus, bukan sebaliknya. Alasannya adalah bahwa tegangan LED lebih atau kurang tetap, sedangkan arus akan bervariasi, dan beradaptasi dengan tuntutan sirkuit.
KVL memang yang Anda butuhkan. Jika penurunan tegangan LED akan menjadi 2V maka tegangan resistor akan menjadi 3.3V - 2V = 1.3V, dan karenanya arus dalam rangkaian

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

Jadi, jika tegangan jatuh pada resistor akan terlalu besar maka secara otomatis menyesuaikan ke nilai yang lebih rendah dengan menurunkan arus.

Catatan: 50mA adalah apa yang dapat diberikan pin . Apa yang disampaikannya pada kenyataannya tergantung pada apa yang diminta oleh sirkuit, dan itu tidak boleh lebih tinggi. Dan dalam kasus kami jauh lebih rendah, jadi tidak apa-apa.

Untuk sebagian besar situasi, perhitungan di atas, yang mengandaikan penurunan tegangan LED tetap, sudah cukup, tetapi kadang-kadang Anda menginginkan jawaban yang lebih tepat, yang memperhitungkan tegangan maju variabel. Sebagian besar waktu Anda tidak akan memiliki persamaan untuk tegangan saat ini versus tegangan maju, tetapi hanya grafik. Itu berarti Anda tidak dapat menyelesaikannya secara analitis. Kita akan melihat bahwa itu mudah diselesaikan secara grafis.

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

Lihat juga pertanyaan ini untuk mengetahui bagaimana cara menghitung nilai resistor.

Dua kemungkinan:

• peringkat saat ini adalah apa yang dapat ditangani oleh perangkat sumber tanpa kerusakan / kepanasan, tetapi bukan sesuatu yang diperlukan untuk membatasi diri

• drop tegangan melintasi LED lebih tinggi dari yang Anda kira, maka drop tegangan melintasi resistor dan arus yang melalui itu lebih rendah dari 50 ma. Lembar data LED acak yang baru saja saya gali mencantumkan tegangan maju 1,85v - yang akan memberi Anda penurunan 1,45v pada resistor dan arus 44 ma (yang kebetulan dua kali apa yang direkomendasikan untuk LED yang saya ambil - Anda mungkin ingin mempertimbangkan resistor yang lebih besar - kit radio shack lama akan menggunakan 680 ohm dengan pasokan baterai 3v)

Jika Anda memiliki voltmeter (atau mungkin input analog arduino sendiri), Anda dapat mengukur tegangan simpul antara resistor dan LED dan menentukan masing-masing tetes melintasi resistor dan LED, dan dengan demikian arus dari drop melintasi resistansi yang diketahui. .

Jawaban singkatnya:

Arus tidak akan 0,05A hanya karena spek untuk pasokan mengatakan 0,05A; ketika spec catu daya menyediakan arus, itu hanya maksimum yang harus Anda coba ambil darinya. Apa yang akhirnya Anda dapatkan untuk arus bergantung pada beban.

Yang mengatakan, Anda bisa mendapatkan jawaban kuantitatif untuk kasus khusus ini dari beberapa grafik bagus yang telah diberikan dalam jawaban lain.