Apakah kecerahan LED berubah dengan tegangan?

Ketika saya masih muda dan belajar tentang listrik, alat yang luar biasa untuk memahami tegangan / arus / resistansi adalah bola lampu pijar (dalam kasus saya itu adalah bola 3V kecil). Ketika Anda menggandakan tegangan dengan meletakkan dua baterai secara seri, itu menyala 4x lebih terang, tetapi lebih panas dan lebih rentan terbakar. Ketika Anda menempatkan dua bola lampu secara seri, mereka bersinar 1/4 sebagai terang. Ketika Anda menempatkannya secara paralel, mereka bersinar secara normal, tetapi menguras baterai dua kali lebih cepat. Dll

Hari ini dan usia lampu pijar berada di jalan keluar, dan LED menggantikan mereka untuk alasan yang baik (seperti tidak terbakar setiap beberapa bulan atau lebih). Tapi LED berbeda dan mengikuti aturan yang berbeda, yang saya tidak mengerti dengan baik.

Saya bertanya-tanya - dapatkah LED digunakan dengan cara yang sama? Saya tahu bahwa untuk sebuah LED dapat digunakan dengan cara yang sama seperti bola lampu klasik, Anda harus memasukkannya secara seri dengan resistor, jika tidak maka akan menarik terlalu banyak arus dan terbakar. Saya pikir Anda bahkan dapat membeli LED dengan resistor bawaan. Tetapi apakah mereka akan bekerja dengan cara yang sama? Apakah perubahan tegangan akan disertai dengan perubahan kecerahan yang sesuai?

LED adalah binatang yang sangat sangat berbeda dibandingkan dengan bola lampu pijar. LED termasuk dalam kelas perangkat yang dikenal sebagai perangkat non-linear . Ini tidak mengikuti Hukum Ohm dalam pengertian klasik (namun Hukum Ohm masih digunakan bersamaan dengan mereka).

LED adalah (jelas) bentuk dioda. Ini memiliki tegangan maju yang merupakan tegangan di mana dioda mulai melakukan. Ketika tegangan meningkat demikian juga seberapa baik dioda melakukan, tetapi ia melakukannya secara non-linear .

Dengan LED, jumlah arus yang mengalir melaluinya yang menentukan seberapa cerahnya. Meningkatkan voltase meningkatkan arus, ya, tetapi wilayah di mana hal itu terjadi tanpa arus, terlalu banyak, sangat kecil. Dalam kurva merah di atas mungkin sedikit di sekitar 1.5V, dan pada saat Anda mencapai 2V arus dari skala dan LED menyala.

Memasang LED secara berurutan memang menghasilkan tegangan maju, jadi Anda harus memberikan tegangan yang lebih tinggi untuk memulai konduksi, tetapi wilayah yang dapat dikendalikan masih sama kecilnya.

Jadi kami mengontrol arus, bukan tegangan, dan mengambil tegangan maju sebagai nilai tetap. Dengan memasukkan resistor dalam rangkaian untuk mengisi celah antara tegangan suplai dan tegangan maju, membatasi arus dalam proses, atau dengan menggunakan pasokan arus konstan , kita dapat mengatur arus yang ingin kita mengalir melalui LED dan dengan demikian mengatur kecerahan. Dengan meningkatkan arus, tetapi tidak meningkatkan tegangan (atau hanya jumlah yang dapat diabaikan, dan murni kebetulan), kami meningkatkan kecerahan.

Rumus untuk menghitung hambatan yang digunakan untuk arus tertentu adalah:

Di mana adalah tegangan suplai, V F adalah tegangan maju LED, dan I F adalah arus maju LED yang diinginkan.$V_S$$V_F$$I_F$

Tidak, LED dengan sendirinya (tanpa resistor atau elektronik lainnya) berperilaku sangat berbeda dari bola lampu.

Lihatlah lembar data ini dari LED acak.

Gulir ke bawah ke halaman dengan banyak grafik. Grafik ketiga menunjukkan intensitas relatif (cahaya) versus arus melalui LED:

(Sumber: 334-15 / T1C1-4WYA lembar data)

Anda akan melihat bahwa kurva ini agak linier, artinya dua kali arus akan memberi Anda kira-kira dua kali lebih banyak cahaya.

Apa yang telah kita pelajari: kecerahan LED agak sebanding dengan arus yang mengalir melaluinya.

Tetapi arus apa yang Anda dapatkan untuk tegangan tertentu?

Lihat grafik 2:

(Sumber: 334-15 / T1C1-4WYA lembar data)

Arus maju vs tegangan maju, perhatikan bagaimana arus meningkat dengan cepat untuk tegangan di atas 3 Volt. Hanya 0,5 V lebih banyak memberikan 4 x arus! Kurva ini juga berubah antara LED dan suhu berlebih.

Itulah mengapa lebih baik memberi makan LED dengan arus daripada tegangan. Jika Anda memberi makan LED dengan tegangan, arusnya tidak dapat diprediksi, begitu juga kecerahannya. Juga daya yang dimasukkan ke LED kemudian akan bervariasi karena Daya adalah tegangan x saat ini.

Lebih baik menyimpan LED pada arus konstan sehingga itu sebabnya resistor seri diperlukan, ini membatasi arus ke nilai yang diinginkan. Tidak persis tetapi cukup dekat untuk sebagian besar keperluan.

Dengan rangkaian resistor di tempat, LED (+ resistor) agak berperilaku lebih seperti bola lampu dalam arti bahwa perubahan kecerahan lebih proporsional dengan tegangan yang Anda terapkan.

Lampu LED & lampu pijar memiliki karakteristik yang hampir berlawanan .

• LED jatuh di R dengan meningkatnya tegangan.

• Resistance BULB naik 10 kali saat dihidupkan. Ini disebabkan oleh PTC termal eksponensial besar (+) dari filamen tungsten. Sementara itu, LED justru sebaliknya, dengan nilai NTC (-) linear kecil.

  • LED tidak dapat menangani tegangan negatif. Semua diberi nilai @ -5V, maks absolut.
  • BULB mudah berjalan dua arah, AC-DC

• LED menggunakan ultrasonic Au wirebond "micron thin", karena solder akan membunuhnya.

• BULB ... beroperasi pada 2500'C

  • LED membutuhkan perlindungan ESD.
  • BULB menyerap ESD tanpa masalah.

• LED datang dalam semua warna pelangi dan seterusnya.

• BULB semuanya sama, dalam nuansa putih

  • LED dapat mendeteksi cahaya dengan arus keluaran kecil seperti dioda.
  • BULB tidak dapat mendeteksi cahaya.

• LED satu sisi bahkan dengan substrat transparan.

• BULB adalah omnidirectional.

Jadi, ketika Anda menambahkan semuanya, Anda harus memahami perbedaan untuk membuatnya bekerja di lingkungan kekuatan yang sama. Atau mengandalkan solusi rekayasa untuk membuatnya mudah digunakan.

Jika Anda membeli LED dengan resistor builtin mereka akan bekerja (hampir) persis seperti itu.

Output cahaya LED hampir sebanding dengan arus pada rentang yang luas.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$$I=(V_b/R_i)$

$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$

$I=(V_b/(2*R_i))$

Jadi ketika menempatkan 2 LED dengan resistor seri builtin dalam seri, arus turun menjadi setengah dari arus awal.

Kecerahan LED tergantung terutama pada arus yang mengalir melaluinya.

Bola lampu pijar konvensional secara efektif adalah sebuah resistor, ia mengikuti hukum ohm, V = I * R. Jika Anda menggandakan tegangan, arus akan berlipat ganda dan daya yang digunakan akan naik dengan faktor 4 (tidak sepenuhnya benar, ada beberapa suhu efek terkait tetapi cukup dekat untuk saat ini).

LED di sisi lain adalah dioda, seperti kebanyakan dioda yang memiliki tegangan bias maju yang relatif tetap. Di bawah tegangan itu tidak ada arus yang mengalir, di atas aliran arus tegangan itu tidak terbatas tetapi tegangan dikurangi oleh tegangan bias. (Ini adalah penyederhanaan besar-besaran tetapi cukup baik untuk sebagian besar perhitungan kasar)

Tegangan ini tergantung pada bahan yang digunakan dan tergantung warna. Biasanya ~ 1.8-2V untuk merah, kuning atau hijau, ~ 3V untuk biru, putih atau "benar hijau". Penurunan tegangan ini akan meningkat dengan arus tetapi hanya dengan 0,1-0,2V, Anda biasanya dapat mengabaikan efek ini.

Seperti yang Anda tunjukkan dalam pertanyaan Anda, LED biasanya dihubungkan dengan resistor secara seri untuk membatasi arus. Mengapa?

Pikirkan LED sebagai penurunan tegangan tetap, itu akan menghabiskan jumlah tegangan tetap tidak masalah saat ini. Jadi, jika Anda menghubungkan LED 2V langsung ke sumber 3V akan ada 1V yang tersisa untuk dijatuhkan di seluruh rangkaian. Sisa rangkaian dalam hal ini akan menjadi hambatan internal pada catu daya dan kabel. Resistansi ini biasanya cukup rendah (sangat rendah sehingga Anda biasanya mengabaikannya) dan arus besar akan mengalir.

Dengan asumsi resistensi berada di wilayah 0,1 omhs ini akan memberikan arus I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 amp.

Daya yang hilang dalam LED adalah P = I * V = 10 * 2 = 20 watt.

Ini akan sangat cepat memanaskan LED ke titik di mana ia dihancurkan. Dunia nyata sedikit lebih kompleks karena LED bukanlah penurunan tegangan tetap nol sempurna yang diasumsikan, tetapi hasil akhirnya sama saja.

Jika kita menambahkan resistor seri 100 ohm selain hambatan internal maka arus berkurang menjadi 10mA dan LED menyala dengan baik.

Mengubah nilai resistor akan mengubah kecerahan, sebagian besar LED kecil dibatasi hingga sekitar 20mA maks dan tidak terlihat jauh di bawah 1mA. Secara umum lebih dari 10mA hampir tidak terlihat (ini lebih disebabkan oleh cara mata bekerja daripada cara kerja LED). Anda juga dapat mengubah kecerahan dengan menghidupkan dan mematikannya dengan sangat cepat, ini lebih mudah dilakukan sistem digital dan umumnya lebih efisien untuk kecerahan yang dirasakan (sekali lagi lebih karena mata daripada LED), ini memungkinkan Anda untuk mengubah kecerahan sementara hanya memiliki resistor tetap tunggal di perangkat keras. Jika Anda berencana menggunakan resistor variabel untuk mengatur kecerahan maka ada baiknya juga menyertakan nilai tetap kecil sehingga dengan variabel resistor pada 0 arus dibatasi hingga 20mA.

Jadi bagaimana jika kita menambahkan dua LED secara seri?

Setiap LED membutuhkan 2V untuk menyala. Dua LED berarti 4V. Dengan sumber 3V kita tidak memiliki tegangan yang cukup untuk meneruskan bias dioda dan karena itu mereka akan memblokir semua aliran arus. LED akan mati. Jika Anda meningkatkan tegangan dan mengatur resistor pembatas arus dengan benar, maka keduanya akan menyala. Karena kecerahan bergantung pada arus yang melalui LED dan keduanya memiliki arus yang sama, kecerahannya akan sama (untuk jenis LED yang sama).

Bagaimana jika kita menambahkan dua LED secara paralel?

Jika kita menambahkan dua secara paralel masing-masing dengan resistor mereka sendiri maka mereka secara efektif memisahkan sirkuit. Dengan asumsi catu daya yang memadai masing-masing akan bertindak seolah-olah itu satu-satunya.

Jika mereka berbagi resistor maka semuanya menjadi lebih menarik. Secara teori ini akan bekerja dengan baik, Anda harus membagi dua nilai resistor untuk memberikan yang sama per arus LED tetapi selain yang Anda harapkan akan berfungsi. Sayangnya tidak ada dua LED yang identik, mereka semua akan memiliki tegangan bias yang sedikit berbeda yang berarti bahwa lebih banyak arus akan mengalir melalui satu daripada yang lain (itu akan menjadi semua arus melalui satu jika bukan karena peningkatan kecil dalam tegangan seperti saat ini meningkat yang biasanya kita abaikan).

Ini berarti bahwa dua LED secara paralel dengan satu resistor hampir tidak akan pernah memiliki kecerahan yang sama.

Umumnya apa pun yang perlu menggerakkan sekelompok LED (misalnya lampu latar) akan menggunakan rantai seri LED yang panjang dan meningkatkan voltase setinggi yang diperlukan (sesuai alasan) sehingga semuanya memiliki kecerahan yang sama.

Sementara LED tidak seperti lampu pijar, jawabannya tetap YA.

Satu-satunya perbedaan dalam perhitungan hukum ohm adalah mengurangi tegangan maju LED dari tegangan catu daya.

Perbedaan tegangan maju LED vs arus maju tidak signifikan.

Saya mengukur tegangan string 16 LED merah pada 200, 350, dan 500mA. Tegangannya adalah 30,07, 31,20, 31,43. Perubahan 1,02% dari 200 menjadi 500mA.