Warum brannte mein LED-Widerstand, während ich vier LEDs in Reihe schaltete?

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Ich habe versucht, eine Schaltung zum Schalten einer großen 7-Segment-LED-Anzeige ( LDS-CD16RI ) mit einem Paar MOSFETs wie folgt zu erstellen :

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Hier versuche ich, ein 3,3-V-Logiksignal (dargestellt als eingekreiste 1) zu verwenden, um die 24-V-Spannung zu schalten, um die LEDs anzusteuern. Diese Schaltung wird für jedes der Segmente der Anzeige wiederholt.

Die typische Durchlassspannung jeder der LEDs (die in jedem Segment der Anzeige in Reihe geschaltet sind) beträgt 6,8 V, und ihr maximaler Dauerdurchlassstrom beträgt 20 mA. Daher habe ich einen Strom von 10 mA durch die LEDs angestrebt. Da meine Versorgungsspannung nur 24 V beträgt, wollte ich tatsächlich etwa 5,75 V über die LEDs abfallen lassen, um etwas Spielraum für die an M2 und R2 abfallende Spannung zu haben.

Den Wert für den Strombegrenzungswiderstand R2 bei 100 Ω habe ich mit

R = \frac{V_{s} - V_{f}}{ich} = \frac{24 - (5,75 * 4)}{0,01} = 100 Ω

$R = \frac{V_s - V_f}{I} = \frac{24 - (5.75*4)}{0.01} = 100Ω$

Vor dem Aufbau dieser Schaltung habe ich die Verlustleistung von R2 wie folgt berechnet:

P = \frac{V^{2}}{R} = \frac{1^{2}}{100} = 0,01 W

$P = \frac{V^2}{R} = \frac{1^2}{100} = 0.01\mathrm{W}$

0,01 W schienen sicher unter dem 0,25 W-Grenzwert der von mir verwendeten Durchgangswiderstände zu liegen, und so fuhr ich mit dem Aufbau und dem Testen dieser Schaltung fort.

Um es kurz zu machen: R2 brannte kurz nachdem ein Segment beleuchtet wurde. Dies trat für jede der separaten Instanzen dieser Schaltung auf, die die verschiedenen Anzeigesegmente ansteuerte, was darauf hindeutete, dass es sich eher um einen Entwurfsfehler als um einen Einzelkomponentenfehler handelte.

Nach meinen Berechnungen und weiteren Analysen kann ich noch nicht verstehen, warum dies geschehen ist. Um meine Arbeit zu überprüfen, konstruierte ich die Schaltung in einem Simulator neu, der vorschlug, dass die Leistung von R2 tatsächlich 6,84 mW betragen würde. Dies ist ein Ergebnis, das ich nicht erklären kann, aber auf jeden Fall eines, das kleiner ist als das, was ich oben berechnet hatte.

Ich erwarte, dass ich irgendwo in meinen Berechnungen oder Annahmen einen Fehler gemacht habe, aber ich konnte ihn nicht finden. Angenommen, das Problem ist, dass der Widerstand tatsächlich zu viel Leistung abgibt. Kann meine Schaltung so eingestellt werden, dass dies behoben wird? Ist R2 hier ein roter Hering und besteht das Problem an anderer Stelle in meinem Stromkreis? Ist mein Ansatz selbst fehlerhaft?

led resistors 7segmentdisplay

— Martin Atkins
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Messen Sie die tatsächliche Spannung an jeder LED, wenn Sie mit Ihrem 100R-Widerstand und der 24-V-Stromversorgungsschiene arbeiten. Messen Sie für eine gute Messung auch die Spannung am Widerstand.

— Dwayne Reid

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Entsprechend Ihrer Schaltung legen Sie 24 V an das Tor von M2 an. Dies beantwortet Ihre Widerstandsfrage nicht, aber sobald es funktioniert, möchten Sie nicht M2 brennen! Ich kann auf einem FQU13P06L keine Daten schnell anzeigen, aber vermutlich haben Sie sie.

— Neil_UK

Ihre Leistungsberechnung stimmt nicht mit dem Simulationsergebnis überein, da Sie den Spannungsabfall am PMOS M2 nicht berücksichtigen. Was ist der Sättigungsspannungsabfall?

— Anklon

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Zweiter @DwayneReid. Ein Multimeter sollte dieses Rätsel ziemlich schnell lösen.

— Daniel

Vielen Dank für den Tipp zur Gate-Spannung an M2 ... Ich habe das bei meiner anfänglichen Arbeit nicht verstanden, aber ich sehe es jetzt. Ich gehe davon aus, dass ich eine separate Frage zur Lösung dieses Problems haben werde, nachdem ich dies etwas genauer durchdacht habe. Allerdings muss ich die Versorgungsspannung trotzdem verringern (siehe Antworten unten), damit sich das Problem wahrscheinlich ändern kann

— Martin Atkins,

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6,8 Volt scheinen für eine einzelne LED furchtbar hoch zu sein. Sind Sie sicher, dass 6.8 nicht die Nummer für alle vier LEDs ist? Das würde 1,7 Volt pro LED ergeben, was für eine rote LED sinnvoller ist. Und das würde bedeuten, dass Sie derzeit 172 Milliampere oder fast 3 Watt durch Ihren Widerstand drücken.

In diesem Fall sollten Sie die Stromversorgung auf weniger als 20 Volt (möglicherweise 12 Volt) absenken, um zu verhindern, dass das Gate Ihres MosFET (M2) zerstört wird.

— Kennzeichen
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Markus ist richtig. R2 muss für 10 mA bei 24 V etwa 1800 Ohm sein

— winny

Vielen Dank! Ich war zu dem Schluss gekommen, dass es sich um eine LED-Zahl handelt, da der Dezimalpunkt nur aus zwei Ziffern besteht. Daher habe ich erwartet, dass dies nicht für alle vier LEDs gelten kann. Ihre Erklärung macht jedoch Sinn, warum dies keine gültige Schlussfolgerung ist.

— Martin Atkins

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Zu meiner eigenen Erbauung sowie zur Neuberechnung habe ich sie mit den LEDs bei 1,7 V Vorwärtsspannung neu simuliert und bestätigt, dass tatsächlich ~ 3 W auch in der Simulation an R2 verbraucht wurden.

— Martin Atkins

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Nun, das oder wie 8 oder 9 weitere LEDs hinzufügen. Verwenden Sie den Strom, der sonst als Wärme verschwendet würde.

— Passant am

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@Passerby Füge sie hinzu, warum? Wenn er hundert LEDs hatte und sie vier gleichzeitig ansteuern wollte, sollte er natürlich mehr in Serie laufen. Aber da dies eindeutig nicht der Fall ist, ist dies nicht sehr hilfreich. Es ist wie "Oh, sie geben heute Hundefutter weg, also muss ich mir einen Hund kaufen". :)

— Graham

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Ich sehe dein Problem. Ihre Schaltung zeigt, wie Sie ein einzelnes LED-Segment ansteuern. (Ich nehme an, Sie haben dann 7 dieser Schaltkreise, einen für jedes Segment.) Das Datenblatt zeigt 4 LEDs in Reihe, die das Segment abdecken.

Wenn Sie einen Fehler gemacht haben, wird davon ausgegangen, dass pro LED ein Spannungsabfall von 6,8 V vorwärts vorliegt. Es gibt keine solche rote LED. In der Regel beträgt der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung bei einer roten LED 1,6 bis 1,8 V, was für die betreffende Physik charakteristisch ist, sodass kaum Variationsmöglichkeiten bestehen. Dies sagt mir, dass Sie einen Durchlassspannungsabfall von 6,8 V für alle vier LEDs in diesem Segment in Reihe haben .

Bei einem Spannungsabfall von 6,8 V und einer 24-V-Versorgung fallen am 100R 17,2 V ab. Wie Mark sagt, führt dies zu einer Verlustleistung von 172 mA und 2,96 W am Widerstand. Nicht gesund für einen 0,25 W Widerstand.

Tatsächlich haben Sie Glück, dass der 0,25-W-Widerstand unter diesen Bedingungen im Grunde genommen zu einer Sicherung wird und fast sofort durchbrennt. Wenn dies nicht der Fall wäre, würde die Ausgabe von 172 mA ziemlich schnell zum Erliegen kommen, und eine große 7-Segment-Anzeige ist ein gutes Stück teurer als ein Widerstand. Wenn Sie einen Widerstand mit höherer Leistung verwendet hätten, würden Sie sich fragen, warum das Display tatsächlich kurz sehr hell blinkt und dann für immer schwarz wird.

— Graham
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Danke für diese Antwort! Ich habe Marks Antwort akzeptiert, weil es früher war, aber beide waren großartige Antworten und ich wünschte, ich hätte beide akzeptieren können. Die Klarstellung, dass der Widerstand in diesem Fall als Sicherung fungierte, war hilfreich, um darüber nachzudenken, was hier passiert ist.

— Martin Atkins

@ MartinAtkins Fair genug. Mark war zuerst da - ich habe nur ein bisschen mehr Detail an den Rändern hinzugefügt. :) Ich bin froh, dass es hilfreich war.

— Graham

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@MartinAtkins Apropos SE, nicht dieser Thread speziell: Du solltest eine Antwort nicht akzeptieren, nur weil es der erste ist. Sehen Sie sich die vielen Themen in SE an, bei denen die erste Antwort extrem schlecht ist und oft gelöscht wird, sobald dies offensichtlich wird. Wenn später jemand kommt, der Ihre Frage besser beantwortet, können und sollten Sie Ihre akzeptierte Antwort ändern.

— Underscore_d

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Du hast es falsch verstanden.

Die im Datenblatt angegebene Durchlassspannung gilt für eine Reihe von LEDs , nicht für einzelne LEDs .

Somit ist Spannungsabfall über LEDs 6.8Vund nicht 6.8V * 4oder5.xV *4

Also hat Widerstand damit zu tun 17.2Vund nicht 0..2V.

Somit wird der Strom .17Aund die Leistung abgeführt ~4W.

— Dima Tisnek
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Was genau fügt diese Antwort hinzu, die andere Antworten noch nicht herausgefunden haben?

— Thomas Weller

Gute Frage. Ich denke, diese Antwort ist präzise und genau.

— Dima Tisnek

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Abhängig von der Nennleistung (Innenwiderstand) und der Farbe der LED (Vf) muss der 100-Ohm-Widerstand die gesamte zusätzliche Spannung von 24 - 4xVf -4Ir ... Vf ~ 3V für Weiß und 2V für andere Farben aushalten. Die meisten LEDs haben einen hohen Widerstand, mit Ausnahme von Power-LEDs wie die von Cree. Wenn der Widerstand 12 V hält, beträgt die Leistung ~ v2 / r 1,5 W Watt. Fügen Sie weitere LED-Reihen hinzu.

— kleiner Finger
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— User2943160