Apa yang terjadi jika LED terhubung ke tegangan suplai lebih besar dari drop tegangannya?

Pemahaman saya tentang resistansi dan tegangan sangat buruk. Saya mendengar bahwa dengan hukum Kirchhoff, (dalam kata-kata saya, mohon perbaiki) tegangan yang digunakan oleh rangkaian harus sama dengan tegangan yang disediakan. Misalnya, jika saya memiliki baterai 9 V, saya harus menggunakan semua 9 V itu.

Katakanlah saya memiliki LED dengan tegangan bias maju khas 3,1 V, yang berarti kehilangan 3,1 V saat menghasilkan cahaya. Akankah LED jika 9 V digunakan, padam?

Kemungkinan besar itu benar, tetapi contoh yang bagus akan membuat pemahaman saya lebih intuitif.

Ini adalah salah satu situasi di mana masalah Anda bukanlah seberapa baik Anda dalam analisis atau pengetahuan dasar apa yang mungkin Anda miliki, tetapi hanya karena Anda tidak tahu apa yang tidak Anda ketahui. Ini selalu membuat langkah pertama ke elektronik yang sangat tinggi.

Dalam hal contoh Anda, apa yang tidak Anda ketahui tentang baterai?

1. Tegangan terminal baterai ideal tidak akan pernah berubah (setidaknya sampai semua kapasitas penyimpanan energi digunakan). Jadi pasti ada faktor yang mempengaruhi tegangan terminal dan kapasitas energinya. Daftar singkatnya adalah kimia, volume bahan, suhu dan desain anoda / katoda.
2. Baterai praktis memiliki kapasitas terbatas dan banyak faktor lain yang mempengaruhi tegangan terminal dan kemampuan arus potensial dapat digulung menjadi elemen model yang disebut 'Resistansi internal'. Dalam model untuk baterai yang paling besar ini akan menjadi sebagian kecil dari ohm. Namun baterai juga memiliki elemen lain seperti kapasitansi dan induktansi untuk membuat situasi lebih kompleks. Anda bisa mulai dengan membaca tentang model baterai dengan teks seperti ini .

Sebuah contoh bagus dari baterai yang lebih besar dengan resistansi internal yang sangat kecil adalah aki mobil 12 V. Di sini, ketika Anda menyalakan mobil, dibutuhkan ratusan Amps (kW daya dan arus dalam kisaran 600 A) untuk menghidupkan motor dan tegangan terminal mungkin turun dari 13,8 V (baterai mobil timbal-asam yang terisi penuh) hanya untuk 10 V saat engkol. Jadi resistansi internal mungkin (menggunakan Hukum Ohms) hanya sekitar 6 miliohm.
Anda dapat mengukur pemikiran untuk contoh ini untuk baterai yang lebih kecil seperti baterai AA, AAA dan C dan setidaknya mulai memahami kompleksitas baterai.

Sekarang apa yang tidak Anda ketahui tentang LED?

1. Kompleksitas model listrik untuk dioda (apakah hanya penyearah atau LED) sangat besar. Tapi kita bisa menyederhanakannya di sini dan mengatakan bahwa itu yang paling sederhana Anda dapat mewakili dioda dengan tegangan Bandgap dengan resistor seri. Anda bisa mulai di sini dengan mulai belajar pada dari banyak paket SPICE dan ini diskusi tentang StackExchange mungkin menjadi titik kickoff baik.
2. Semua perangkat semikonduktor memiliki batasan praktis dalam jumlah daya yang dapat mereka hilangkan. Ini terkait terutama dengan ukuran fisik perangkat. Semakin besar perangkat, semakin besar daya yang dihabiskannya.

Sekarang Anda dapat mempertimbangkan LED Anda. Anda harus mulai dengan mencoba memahami lembar data untuk perangkat. Sementara banyak karakteristik yang Anda tidak akan mengerti Anda sudah tahu satu (dari pertanyaan Anda), tegangan maju (Vf) dan Anda mungkin bisa menemukan batas saat ini dan disipasi daya maksimum dalam lembar data.
Berbekal orang-orang yang bisa menentukan resistansi seri, Anda perlu membatasi arus sehingga Anda tidak melebihi batas disipasi daya LED.

Hukum Voltase Kirchhoff memberi Anda petunjuk besar bahwa karena tegangan melintasi LED adalah sekitar 3,1 V (dan kurva arus lembar data memberi tahu Anda bahwa Anda tidak pernah dapat menerapkan 9 V), Anda harus memerlukan komponen model lain yang disatukan dalam rangkaian.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Catatan: impedansi internal baterai yang ditunjukkan di atas hanya ditentukan untuk memudahkan perhitungan. Tergantung pada jenis baterai (primer atau isi ulang) resistansi internal dapat bervariasi. Periksa lembar data baterai Anda.

Mungkinkah elemen yang tidak dikenal di atas hanyalah sepotong kawat (tanpa elemen)?
Bisa .... tapi kita bisa menghitung hasilnya dengan mudah.
Dengan dua elemen tegangan ideal (9 V dan 3.1 V) resistor harus memiliki 5.9 V di atasnya (loop tegangan Kirchhoff). Aliran saat ini karena itu harus 5.9 / 10.1 = 584 mA.
Daya yang hilang dalam LED adalah (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 Watt. Karena LED Anda mungkin hanya sekitar 300 mW atau lebih, Anda dapat melihat bahwa itu akan memanas secara dramatis dan kemungkinan besar gagal dalam hitungan detik.

Sekarang jika elemen yang tidak diketahui adalah resistor sederhana, dan kami ingin arus melalui LED menjadi katakanlah 20 mA, kami memiliki cukup untuk menghitung nilainya.

Tegangan terminal baterai adalah (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 V Tegangan terminal LED adalah (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 V

Jadi tegangan melintasi resistor yang tidak diketahui adalah 5.698 dan arus melewatinya 20 mA. Jadi resistornya adalah 5,698 / 0,02 = 284,9 Ohm.

Dalam kondisi ini loop tegangan menyeimbangkan dan LED melewati nilai yang dirancang 20 mA. Oleh karena itu, disipasi daya ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 mW .... mudah-mudahan juga dalam kemampuan LED kecil.

Semoga ini membantu.

Ya, LED kemungkinan akan rusak. Itulah cerpennya.

Pada kenyataannya tegangan baterai akan turun sedikit karena akan mengeluarkan banyak arus (baterai memiliki resistansi internal yang bervariasi dengan kondisi pengisian daya, riwayat pemakaian, suhu dan faktor-faktor lain - mungkin beberapa ohm untuk baterai 9V yang baru), dan yang tegangan LED akan meningkat (LED meningkatkan tegangan dengan arus dengan cara nonlinear) sampai dua persis bertemu (jika Anda mengabaikan sedikit penurunan kabel).

Jadi misalkan tegangan baterai turun ke 5V dan baterai memasok 1,5A. Itu berarti tegangan maju LED adalah 5V dan menghilang 5V * 1.5A = 7.5W, yang berarti akan sangat cepat terbakar, dengan asumsi itu adalah indikator LED 3mm atau 5mm kecil.

Jika LED 3.1V Anda kebetulan merupakan sekelompok dadu LED secara paralel dan mampu menangani (katakanlah) 2A dengan aman, di sisi lain, tegangan baterai akan turun menjadi seperti 3.1V (karena hambatan internal baterai, sama seperti di atas) dan LED akan menyala dengan sekitar 6W daya input. Tentu saja baterai akan cepat habis (paling-paling - atau bisa menjadi sangat panas, dan mungkin meledak dengan keras. Beberapa jenis, seperti baterai NiCd atau baterai Lithium tertentu yang tidak dilindungi, mungkin lebih berbahaya daripada yang lain.

Inilah yang terjadi: pertama, saya menghubungkan LED hijau dengan benar ke 9 V menggunakan resistor 1 kΩ untuk menangkap tegangan sisa.

Lalu tanpa.

Cukup mengherankan, setelah itu, sekali lagi dengan sebuah resistor, LED masih bekerja, tetapi terutama redup.

Jangan coba ini di rumah anak-anak ... kecuali, heck, kenapa tidak ... itu sains !

Mengapa sebentar menyala kuning / merah sebelum "bersinar", saya tidak tahu. Mungkin hasilnya berbeda untuk setiap jenis LED.

Dalam praktiknya ada beberapa resistor "tersembunyi" atau parasit dalam contoh hipotetis Anda yang tidak Anda sadari. Sebagai permulaan, baterai memiliki resistansi seri internal. LED juga memiliki hambatan seperti halnya semua kabel di sirkuit Anda. Tegangan turun di semua resistor ini ditambah penurunan tegangan intrinsik LED akan menambah tegangan baterai.

Satu-satunya pertanyaan adalah: Pada saat apa hal ini terjadi? Jika cukup tinggi, LED Anda akan matang dan terbakar. Resistansi tambahan dalam bentuk resistor aktual dalam seri dengan LED akan mencegah masalah ini. Menentukan bahwa nilai resistor adalah peluang untuk menerapkan hukum Ohm.

Diagram ini, dengan volt pada Xaxis dan arus pada Yaxis, digunakan untuk secara grafis "memecahkan" persamaan untuk pembagi tegangan 2-komponen-dalam-seri. Ini dapat digunakan untuk pembagi resistif murni, atau seperti di sini dengan dioda & resistor.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Masukkan komponen kedua secara seri, untuk berbagi tegangan. Misalnya, Anda ingin LED bekerja dengan aman dengan voltnya 3,1, dan minta RESISTOR untuk menggunakan yang tidak dibutuhkan [9 - 3,1] = 5,9 volt. Pada 10mA (yang dapat Anda lihat 100 ohm per volt), Anda membutuhkan 100 Ohm / Volt * 5,9 volt = 590 Ohm. Nilai umum adalah 560 Ohm dan 620 Ohm.

Anda memerlukan rangkaian seri di sini: sumber pada 9 volt, dan kemudian DUA komponen untuk berbagi tegangan baterai.

Sekarang mari kita gunakan plot IV yang sama sebagai nomograf untuk menyelesaikan pembagi tegangan resistif.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Jawaban untuk pertanyaan judul Anda adalah: LED akan menyala.

Ketentuannya adalah bahwa arus Anda berada dalam batas minimum dan maksimum LED yang dipermasalahkan.

Arus rendah akan membuatnya terbakar secara redup, dan arus terukur akan membuatnya menyala terang. Terlalu banyak arus akan meniup LED.

Anda membatasi arus ke nilai yang Anda inginkan (seringkali 15 hingga 20mA) dengan menempatkan resistansi yang benar ke dalam rangkaian.

Gunakan hukum Ohm untuk menyelesaikannya. R (ohm) = V (volt) / I (amp).

Dalam batas wajar, voltase cukup tidak relevan dengan LED, itu adalah arus yang menyalakannya. Anda tentu saja harus memiliki tegangan yang cukup untuk melebihi penurunan tegangan internal LED pada ujung bawah.

Tidak semua 9 V persediaan sama. Beberapa akan meniup LED dan beberapa tidak. (Itu tergantung pada arus hubung singkat atau resistansi internal.)

9 V - 3.1 V = 5.9 V 'hilang.' Ini dijatuhkan di dalam pasokan 9 V, kawat dan di dalam LED. (Ini adalah resistansi yang menyebabkan hilangnya tegangan, atau drop tegangan.)

Sangat sulit untuk meniup apa pun tanpa panas, (kecuali untuk statis di MOS.) Panas membutuhkan waktu untuk menumpuk (dan melepaskan asap. :-)

Panas yang menghancurkan LED adalah karena tegangan 3,1 V, resistansi internal LED, arus (V / R) dan waktu. Sebagian panas (sebelum asap terjadi) hilang ke lingkungan. Itulah mengapa heatsink digunakan di beberapa sirkuit untuk mencegah asap.

Pada perkiraan pertama, mengabaikan hambatan internal, LED memiliki karakteristik penerusan I / V yang eksponensial. Pada kenyataannya, itulah karakteristik dari persimpangan terpolarisasi ke depan: perangkat nyata memiliki resistansi internal secara seri, biasanya beberapa Ohm.

Penurunan tegangan "nominal" LED hanya satu poin pada karakteristik, Biasanya, tegangan yang sesuai dengan 20 mA, atau arus maju nominal yang ditentukan.

Ketika Anda meletakkan timah Anda di kutub baterai, Anda membuat rangkaian seri yang mencakup sumber tegangan "ideal" 9 V, LED, dan resistansi internal baterai (katakanlah, 2 Ohm)

Titik kerja LED Anda adalah persimpangan karakteristik maju dengan garis beban yang ditentukan oleh tegangan sumber (9V) dan resistansi internal baterai. Penurunan tegangan pada LED Anda akan jauh lebih tinggi dari nominal 3,1 V.

Kecuali jika LED Anda adalah perangkat arus tinggi, arus akan melebihi nilai nominal dan LED akan menderita atau meledak.

LED (dan dioda pada umumnya) agak aneh. Sebagai perkiraan pertama di bawah ambang batas tegangan tidak ada arus dapat mengalir, di atasnya tidak ada batasan aliran arus.

Anggap saja sebagai bendungan, ketika air di bawah bendungan itu diblokir sepenuhnya. Setelah ketinggian air di atas bendungan, alirannya tidak dibatasi namun Anda masih kehilangan jumlah yang ditahan di belakang bendungan.

Jadi dengan LED dengan ambang batas 3.1V jika Anda menerapkan 9V, Anda masih memiliki 5.9V. Ini akan digunakan oleh resistor di sirkuit seperti yang dijelaskan oleh hukum Ohm, V = I * R. Jika Anda belum menambahkan resistor apa pun, R adalah resistansi internal baterai dan resistansi kabel Anda. Resistansi internal ini biasanya cukup kecil sehingga Anda dapat mengabaikannya, tetapi dalam hal ini yang Anda miliki. Tahanan kecil dan tegangan tetap berarti arus akan sangat tinggi. LED akan memiliki arus maksimum yang dapat bertahan, sekitar 20mA untuk LED tipikal. Jika Anda melebihi ini, mereka akan terlalu panas dan menghancurkan diri mereka sendiri.

Seperti yang saya katakan di awal, ini hanya perkiraan LED, dalam prakteknya penurunan tegangan meningkat dengan arus. Namun peningkatan itu tidak besar, umumnya jika Anda berada dalam situasi di mana Anda perlu memperhitungkannya maka Anda melakukan sesuatu yang sangat sensitif, sesuatu yang berkekuatan tinggi atau Anda berjalan terlalu dekat dengan batas komponen untuk memulainya. Peningkatan itu tentu saja tidak cukup untuk mempengaruhi hasil akhir dalam skenario ini.

Semuanya memiliki perlawanan. Titik!

• Itu termasuk baterai (ESR), dioda (Rs), tutup induktor (DCR). (ESR) dan bahkan Resistor (R);)
  • "Kirchhoff voltage loop (KVL)" mengajarkan cara menggunakan "Leftover Voltage"
    • ini setelah semua tegangan suplai ditambahkan atau dikurangi
    • dengan jumlah semua bagian dalam seri, yang masing-masing memiliki ketahanan
  • jadi KVL mengajarkan Anda cara menghitung arus yang dihasilkan atau laju aliran biaya dalam satuan Ampere atau "Amp" = 1000 miliampere (mA)

• dengan demikian "sisa V" ini adalah jumlah seluruh bagian R dalam satu lingkaran.

  • ketika itu adalah kabel konduktor yang baik kita biasanya (tetapi tidak selalu) mengabaikan hambatan dan penurunan tegangan.

• jadi I = V / R dari setiap bagian setelah tegangan sisa dan jumlah resistansi loop dinyatakan sebagai rasio.

• bagian yang dapat menangani LOTS daya harus memiliki R rendah (kecuali dalam teori sekolah dasar, kita katakan baterai ideal memiliki R = 0)

• semua kemiripan dioda memiliki resistansi yang lebih rendah di atas ambang tegangan, Vt, jika diberi nilai untuk daya lebih, pada tegangan maju pengenal Vf

3V LED memiliki ambang batas sekitar 2.8V dan kemudian dapat 3.1V +/- 10% tergantung pada toleransi yang luas dan tentu saja, daya

 - 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

Jadi dengan satu LED Putih 1W dan satu baterai Alkaline 9V apa tegangan "sisa" dan arus yang dihasilkan?

• Bagaimana Anda memilih R untuk membatasi arus itu?
• Bagaimana memilih peringkat daya dan kenaikan suhu.

(9V-2.8V) / (6x1 + (0,5 hingga 1) + R) = 0,3A = 300 mA

pecahkan untuk R

Jika R = 0, LED menjadi terlalu terang dan terlalu panas untuk bertahan hidup

Caps memiliki ESR tetapi sebagai isolator = dielektrik, mereka memblokir DC tetapi melakukan AC.