Spannungsabfälle und Strom für LED?

Ich habe die folgende Schaltung auf einem Steckbrett erstellt und die Arduino Uno 3.3V-Versorgung für die Stromversorgung verwendet:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
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Auf der Website von Arduino wird erwähnt, dass der 3,3-V-Pin einen Strom von 0,05 A hat. Laut KVL würden wir 3,3 V - (330 Ohm * 0,05 A) - Spannungsabfall an der LED = 0 erhalten

Gemäß der Gleichung ist der Spannungsabfall an der LED negativ und daher sollte die LED NICHT leuchten. Auf dem Steckbrett leuchtet die LED jedoch auf ... WARUM? Das widerspricht völlig der Grundtheorie ... ist das normal? oder ist das nur möglich, weil ich irgendwo einen fehler gemacht habe? = O.

Das Problem ist, dass Sie (noch) nicht die richtige Grundtheorie verstehen, um sie anzuwenden :-).

Herzlichen Glückwunsch, dass Sie versucht haben, es selbst herauszufinden. Machen Sie weiter so und Sie werden bald wissen, wie man es richtig berechnet.

Spannung, Strom und Widerstand können durch eine Wasseranalogie relativ gut modelliert werden. Die Spannung ist ähnlich dem Pumpendruck oder dem "Kopf" -Druck in einem Reservoir, der Strom ist ähnlich dem Stromfluss und der Widerstand ist ähnlich dem Rohrwiderstand gegen den Wasserfluss oder dem Widerstand gegen den Fluss, der von einem Hydraulikmotor angeboten wird.

Der "Fehler" bei Ihrem Modell geht also davon aus, dass die Stromstärke des Arduino das war, was passiert ist, wenn es auf die Spannung oder den Pumpendruck ankommt.

Wenn der 3V3-Stromkreis des Arduino eine Nennspannung von 50 mA hat, ist dies der maximale Strom, der fließen darf , und nicht die Strommenge, die fließen muss .

Verwenden Ihres ASCII-Schaltplans:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
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(3.3V)                                     |
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Die Schlüsselgleichung hier (eine Anordnung des Ohmschen Gesetzes) ist

• I = V / R.

Dies besagt, dass der Strom mit zunehmender angelegter Spannung zunimmt und mit zunehmendem Widerstand abnimmt. Hier wird ein zusätzlicher Faktor hinzugefügt, um die Dinge interessanter zu machen. LEDs wirken ungefähr wie eine Konstantspannungssenke. Das heißt, wenn der Strom über einen Anfangsgrenzwert erhöht wird, steigt die Spannung nicht linear mit dem Strom an - sie steigt an, jedoch mit einer niedrigeren Rate als die Stromerhöhungsrate.

Neuordnung der Gleichung, die Sie erhalten

• R = V / I.

Auf diese Weise können Sie den erforderlichen Widerstandswert berechnen, der erforderlich ist, um einen bestimmten Strom mit einer bestimmten verfügbaren Spannung zu erhalten. Bevor wir es anwenden können, gibt es ein "Gotcha", das wir verstehen müssen.

Wenn die meisten LEDs in ihren Auslegungsstrombereichen betrieben werden, haben sie einen angemessen begrenzten Bereich von Spannungsabfällen. Eine moderne weiße LED kann beginnen, sichtbar Licht mit einem "Abfall" von etwa 2,8 V über die LED zu emittieren. Sie hat einen Abfall von beispielsweise 3 V3 (= 3,3 Volt) bei 20 mA (dies ist normalerweise der maximale Auslegungsstrom für LEDs mit 3 mm und 5 mm Blei) ,) und durch Überstrom bei beispielsweise 3V8 über die LED ausbrennen. Typische Zahlen variieren, aber das gibt eine Vorstellung. Eine moderne rote LED kann einen Durchlassspannungsabfall aufweisen, wenn sie bei einem Nennstrom von 2,5 V betrieben wird, und eine Infrarot-LED kann typisch bei 1,8 V betrieben werden. Bei der Berechnung des LED-Stroms können Sie zunächst den typischen Durchlassspannungsabfall aus dem Datenblatt der LED verwenden.

Typische rote LED

Hier ist das Datenblatt für eine typische moderne rote LED . Es ist ein Kingbright WP7113ID. Ich entschied mich dafür, die billigste 5-mm-LED auf Lager zu finden, die bei Digikey verkauft wurde. In 1 ist es 11 Cent US.

Das Datenblatt besagt, dass die Durchlassspannung normalerweise 2,0 V bei 20 mA beträgt, daher werde ich diese Zahl verwenden.

Betrieb bei 20 mA

Da die LED eine annähernd konstante Spannung aufweist, müssen wir diese Spannung von der verfügbaren Spannung abziehen, die den Strom durch den Widerstand "pumpt". Wir werden die Schaltung so konstruieren, dass sie 20 mA ergibt - die Nennwerte der LEDs. So wird unsere vorherige Formel.

• R = (V_supply - V_LED) / I.

Für V_LED = 2v0 und Vsupply = 3V3 erhalten wir

• R = (3,3 - 2,0) / 0,020 = 1,3 / 0,02 = 65 Ohm.

68 Ohm ist der nächste Standardwiderstandswert "E12" *.

Der Spannungsabfall über dem Widerstand = 3,3 - 2,0 = 1,3 V - wie oben. Das Datenblatt besagt, dass der Vf des LEd bei 20 mA bis zu 2V5 betragen kann. Mal sehen, was passieren würde, wenn wir eine LED mit Vf = 2,5 V bei 20 mA verwenden würden.

Wie oben ist I = V / R = (Vsupply-VLED) / R.

Hier verwenden wir jetzt I = (3,3-2,5) / 68 = 0,8 / 68 = 0,00176 A ~ = 12 mA.

Also haben wir für 20 mA ausgelegt, aber in diesem Fall ungefähr 12 mA. In ähnlicher Weise wäre der Strom höher als 20 mA gewesen, wenn die Vf der LED bei 20 mA niedriger als 2,0 V gewesen wäre (wie es passieren kann). Insgesamt kann der LED-Strom aufgrund von Produktionsschwankungen im Vf der LEDs um> 2: 1 variieren. Dies ist der Grund, warum "echte" LED-Antriebskonstruktionen Konstantstromquellen oder Schaltungen verwenden, die sich einer Konstantstromquelle annähern. Aber das ist eine andere Geschichte.

Betrieb mit 330 Ohm Widerstand

Für Ihren 330R Widerstand.

Mit LED Vf = 2V0. I_LED = V / R = (3,3-2 V) / 330 = ~ 4 mA

Mit LED Vf = 2V5. I_LED = V / R = (3,3-2,5 V) / 330 = ~ 2,4 mA

Das Datenblatt sagt nicht, was Vf Minimum ist - nur typisch und Maximum - aber nehmen wir an, es ist 1,8V.

I_LED = V / R = (3,3-1,8) / 330 = 4,5 mA

Der LED-Strom kann also je nach LED Vf zwischen 2,4 mA und 4 mA = einem Verhältnis von 1: 1,666 variieren.

ABER der Vf im Datenblatt lag bei 20 mA. Wenn der Strom abfällt, fällt Vf "etwas". Hier sind die Eigenschaften der ausgewählten LED aus dem Datenblatt.

Wir können sehen, dass Vf bei 2 mA ungefähr 1,7 V und bei 4 mA ungefähr 1,78 V beträgt, so dass der angenommene Wert von 1,8 V für unsere Zwecke gut genug ist.

• E12 - häufigste Widerstandsreihe mit 5% Genauigkeit - 12 Widerstände pro Jahrzehnt.

Bevorzugte Zahlenreihen - suchen Sie nach E12 und lesen Sie dann auch den Rest :-)

E12-spezifisch - Werte und Farbcodes - fokussierter, aber insgesamt weniger nützlich

Sie müssen mit dem LED-Spannungsabfall beginnen. Es ist das, was den Strom bestimmt, nicht umgekehrt. Der Grund ist, dass die LED-Spannung mehr oder weniger fest ist, während der Strom variabel ist und sich an die Anforderungen der Schaltung anpasst.
KVL ist in der Tat das, was Sie brauchen. Wenn der LED-Spannungsabfall 2 V betragen würde, wäre die Widerstandsspannung 3,3 V - 2 V = 1,3 V und damit der Strom in der Schaltung

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

Wenn also der Spannungsabfall über dem Widerstand zu groß wäre, wird er automatisch durch Verringern des Stroms auf einen niedrigeren Wert eingestellt.

Hinweis: Der Pin kann 50 mA liefern. Was es in der Realität liefert, hängt davon ab, was von der Schaltung verlangt wird, und das sollte nicht höher sein. Und in unserem Fall ist es viel niedriger, also ist das in Ordnung.

In den meisten Situationen ist die obige Berechnung, die einen festen LED-Spannungsabfall voraussetzt, ausreichend, aber manchmal möchten Sie eine genauere Antwort, die die variable Durchlassspannung berücksichtigt. Meistens haben Sie keine Gleichung für Strom gegen Durchlassspannung, sondern nur eine Grafik. Das heißt, Sie können es nicht analytisch lösen. Wir werden sehen, dass es einfach ist, grafisch zu lösen.

Der Trick ist in der roten Linie. In der angegebenen Grafik ist dies die Lastlinie für einen 100- Widerstand und eine 3-V-Versorgung. Um die Linie zu zeichnen, finden Sie die Punkte, an denen sie sich mit den Achsen schneidet. Der Punkt auf der X-Achse ist die Versorgungsspannung, hier 3V. Der Punkt auf der Y-Achse ist der Strom, wenn die LED-Spannung 0 V beträgt, also V = 30 mA. Möglicherweise müssen Sie das Diagramm erweitern, damit die Y-Achse sichtbar wird. Die rote Linie zeigt den Strom für eine bestimmte LED-Spannung. Wenn die LED-Spannung 3 V beträgt, beträgt der Strom 0. Wenn die LED-Spannung 2 V beträgt, beträgt der LED-Strom = 10 mA usw. Die Funktion ist linear, daher die gerade Linie.3 $\Omega$ 3V-2$\dfrac{3V}{100\Omega}$
$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$
Jetzt müssen Sie nur noch den Punkt finden, an dem sich die Lastlinie mit dem LED-Diagramm schneidet. Für die gegebene Situation beträgt die LED-Spannung 1,81 V und der Strom 12 mA. So einfach ist das, ohne Probleme mit komplizierten Formeln.

Siehe auch diese Frage , um herauszufinden, wie der Widerstandswert berechnet wird.

Zwei Möglichkeiten:

• Die aktuelle Bewertung ist das, was das Beschaffungsgerät ohne Beschädigung / Überhitzung handhaben kann, aber keine Maßnahmen, auf die es sich beschränkt

• Der Spannungsabfall an der LED ist höher als Sie denken, daher sind der Spannungsabfall am Widerstand und der Strom durch ihn geringer als 50 mA. Ein zufälliges LED-Datenblatt, das ich gerade ausgegraben habe, listete eine Durchlassspannung von 1,85 V auf - das würde einen Abfall von 1,45 V über den Widerstand und einen Strom von 44 mA ergeben (was doppelt so viel ist wie für die von mir ausgewählte LED empfohlen). Vielleicht möchten Sie einen größeren Widerstand in Betracht ziehen - die alten Radio-Shack-Kits würden 680 Ohm mit einer 3-V-Batterieversorgung verwenden.

Wenn Sie ein Voltmeter (oder möglicherweise den eigenen Analogeingang des Arduino) haben, können Sie die Spannung des Knotens zwischen dem Widerstand und der LED messen und die jeweiligen Abfälle über dem Widerstand und der LED und damit den Strom aus dem Abfall über den bekannten Widerstand bestimmen .

Die kurze Antwort:

Der Strom beträgt nicht 0,05 A, nur weil in der Spezifikation für die Versorgung 0,05 A angegeben sind. Wenn eine Netzteilspezifikation einen Strom liefert, ist dies nur das Maximum, das Sie versuchen sollten, daraus zu ziehen. Was Sie tatsächlich für Strom erhalten, hängt von der Last ab.

Das heißt, Sie können quantitative Antworten für diesen speziellen Fall aus einigen der schönen Grafiken erhalten, die in den anderen Antworten angegeben wurden.