Ändert sich die LED-Helligkeit mit der Spannung?

Als ich jung war und etwas über Elektrizität lernte, war eine Glühbirne (in meinem Fall eine kleine 3-V-Glühbirne) ein hervorragendes Werkzeug zum Verstehen von Spannung / Strom / Widerstand. Wenn Sie die Spannung verdoppelten, indem Sie zwei Batterien in Reihe schalteten, leuchtete sie viermal so hell, erwärmte sich jedoch stärker und neigte mehr zum Ausbrennen. Wenn Sie zwei Glühbirnen hintereinander schalten, leuchten sie 1/4 so hell. Wenn Sie sie parallel schalten, leuchten sie normal, entladen den Akku jedoch doppelt so schnell. Etc.

Heutzutage sind jedoch Glühbirnen auf dem Weg nach draußen, und LEDs ersetzen sie aus gutem Grund (zum Beispiel nicht alle paar Monate oder so). Aber LEDs sind unterschiedlich und folgen unterschiedlichen Regeln, die ich selbst nicht sehr gut verstehe.

Ich habe mich gefragt, ob LEDs auf die gleiche Weise verwendet werden können. Ich weiß, dass eine LED, die ähnlich wie eine klassische Glühbirne verwendet werden kann, mit einem Widerstand in Reihe geschaltet werden muss, da sie sonst zu viel Strom verbraucht und durchbrennt. Ich denke, man kann sogar LEDs mit eingebauten Widerständen kaufen. Aber würden sie auf die gleiche Weise arbeiten? Würden Spannungsänderungen mit entsprechenden Helligkeitsänderungen einhergehen?

LEDs sind ein ganz anderes Tier als Glühbirnen. LEDs gehören zu einer Klasse von Geräten, die als nichtlineare Geräte bezeichnet werden . Diese folgen nicht dem Ohmschen Gesetz im klassischen Sinne (jedoch wird das Ohmsche Gesetz immer noch in Verbindung mit ihnen verwendet).

Eine LED ist (offensichtlich) eine Art Diode. Es hat eine Durchlassspannung, die die Spannung ist, bei der die Diode zu leiten beginnt. Wenn die Spannung zunimmt, nimmt auch die Leitfähigkeit der Diode zu, jedoch nicht linear .

Bei einer LED bestimmt die durch sie fließende Strommenge, wie hell sie ist. Das Erhöhen der Spannung erhöht den Strom, ja, aber der Bereich, in dem dies geschieht, ohne dass der Strom zu groß wird, ist sehr klein. In der roten Kurve oben kann es sein, dass es sich um ein kleines bisschen um 1,5 V handelt, und wenn Sie 2 V erreichen, ist der Strom nicht mehr auf der Skala und die LED brennt durch.

Wenn Sie LEDs in Reihe schalten, summieren Sie die Durchlassspannungen. Sie müssen also eine höhere Spannung bereitstellen, damit die Leitung startet, aber der steuerbare Bereich ist immer noch genauso klein.

Wir regeln also den Strom anstelle der Spannung und nehmen die Durchlassspannung als festen Wert. Indem wir entweder einen Widerstand in den Stromkreis einbauen, um die Lücke zwischen der Versorgungsspannung und der Durchlassspannung zu füllen, den Strom in dem Prozess begrenzen oder eine Konstantstromversorgung verwenden , können wir den Strom einstellen, der durch die LED und fließen soll Stellen Sie also die Helligkeit ein. Durch Erhöhen des Stroms, aber nicht durch Erhöhen der Spannung (oder nur in vernachlässigbarem Umfang und rein zufällig), erhöhen wir die Helligkeit.

Die Formel zur Berechnung des Widerstandes gegen die Verwendung für einen bestimmten Strom lautet:

$V_S$$V_F$$I_F$

Nein, eine LED selbst (keine Widerstände oder andere Elektronik) verhält sich ganz anders als eine Glühbirne.

Schauen Sie sich dieses Datenblatt einer zufälligen LED an.

Scrollen Sie zur Seite mit vielen Diagrammen. Das dritte Diagramm zeigt die relative Intensität (Licht) gegenüber dem Strom durch die LED:

(Quelle: Datenblatt 334-15 / T1C1-4WYA)

Sie werden bemerken, dass diese Kurve etwas linear ist, was bedeutet, dass der doppelte Strom Ihnen ungefähr doppelt so viel Licht geben würde.

Was haben wir gelernt: Die Helligkeit einer LED ist in gewisser Weise proportional zum durch sie fließenden Strom.

Aber welchen Strom bekommen Sie für eine bestimmte Spannung?

Siehe Grafik 2:

(Quelle: Datenblatt 334-15 / T1C1-4WYA)

Vorwärtsstrom gegen Vorwärtsspannung, beachten Sie, wie der Strom bei einer Spannung über 3 Volt schnell ansteigt. Nur 0,5 V mehr ergeben 4 x den Strom! Diese Kurve ändert sich auch zwischen LEDs und Übertemperatur.

Deshalb ist es besser, LEDs mit Strom statt mit Spannung zu versorgen. Wenn Sie eine LED a mit Spannung versorgen, ist der Strom nicht sehr vorhersehbar, ebenso wenig wie die Helligkeit. Auch die an die LED gelieferte Leistung ändert sich dann, da Leistung Spannung x Strom ist.

Es ist besser, eine LED auf einem konstanten Strom zu halten, deshalb werden Vorwiderstände benötigt, die den Strom auf den vorgesehenen Wert begrenzen. Nicht genau, aber für die meisten Zwecke nah genug.

Wenn der Vorwiderstand vorhanden ist, verhält sich eine LED (+ Widerstand) eher wie eine Glühbirne, da die Helligkeitsänderung proportional zur angelegten Spannung ist.

LED- und Glühlampen haben fast entgegengesetzte Eigenschaften.

• LEDs fallen mit steigender Spannung in R ab.

• Der Widerstand der GLÜHBIRNE steigt beim Einschalten um das Zehnfache. Dies ist auf einen großen exponentiellen thermischen PTC (+) eines Wolframfilaments zurückzuführen. Unterdessen sind LEDs mit einem kleinen linearen NTC-Wert (-) genau umgekehrt.

  • LEDs können keine negativen Spannungen verarbeiten. Alle sind bei -5V absolut max.
  • Glühbirnen gehen leicht in beide Richtungen, AC-DC

• LEDs verwenden "mikrometerdünnes" Ultraschall-Au-Drahtbond, da es durch Löten zerstört würde.

• GLÜHBIRNEN ... arbeiten bei 2500 ° C

  • LEDs benötigen einen ESD-Schutz.
  • GLÜHBIRNEN absorbieren problemlos ESD.

• LEDs kommen in allen Farben des Regenbogens und darüber hinaus.

• Glühbirnen sind alle gleich, in Weißtönen

  • LEDs können Licht mit einem kleinen Ausgangsstrom wie Fotodioden erfassen.
  • GLÜHBIRNEN können kein Licht erkennen.

• LEDs sind auch bei einem transparenten Substrat einseitig.

• GLÜHBIRNEN sind omnidirektional.

Wenn Sie also alles zusammenzählen, müssen Sie die Unterschiede verstehen, damit sie in derselben Energieumgebung funktionieren. Oder vertrauen Sie auf eine ausgereifte Lösung, um die Bedienung zu vereinfachen.

Wenn Sie LEDs mit eingebauten Widerständen gekauft hätten, würden sie (fast) genau so funktionieren .

Die Lichtleistung von LEDs ist über einen weiten Bereich nahezu proportional zum Strom.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

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

$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$ was auf ungefähr Folgendes reduziert werden kann :

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

Wenn also 2 LEDs mit eingebauten Vorwiderständen in Reihe geschaltet werden, sinkt der Strom auf die Hälfte des Anfangsstroms.

Die Helligkeit einer LED hängt in erster Linie von dem durch sie fließenden Strom ab.

Eine herkömmliche Glühbirne ist quasi ein Widerstand, es folgt das Ohmsche Gesetz der V = I * R. Wenn Sie die Spannung verdoppeln, verdoppelt sich der Strom und die verbrauchte Leistung steigt um den Faktor 4 (nicht ganz richtig, es herrscht eine gewisse Temperatur) verwandte Effekte, aber vorerst nah genug).

Eine LED ist andererseits eine Diode, wie die meisten Dioden hat sie eine relativ feste Vorwärtsvorspannung. Unterhalb dieser Spannung fließt kein Strom, oberhalb dieser Spannung ist der Stromfluss unbegrenzt, die Spannung wird jedoch um die Vorspannung reduziert. (Dies ist eine massive Vereinfachung, aber für die meisten groben Berechnungen gut genug)

Wie hoch diese Spannung ist, hängt von den verwendeten Materialien ab und ist daher farbabhängig. Typischerweise ~ 1,8-2 V für Rot, Gelb oder Grün, ~ 3 V für Blau, Weiß oder "echtes Grün". Dieser Spannungsabfall steigt mit dem Strom an, aber nur um 0,1-0,2 V, diesen Effekt können Sie normalerweise ignorieren.

Wie Sie in Ihrer Frage angegeben haben, sind LEDs normalerweise mit einem Widerstand in Reihe geschaltet, um den Strom zu begrenzen. Warum?

Stellen Sie sich die LED als festen Spannungsabfall vor, sie verbraucht unabhängig vom Strom eine feste Spannung. Wenn Sie also eine 2-V-LED direkt an eine 3-V-Quelle anschließen, bleibt 1 V übrig, um über den Rest des Stromkreises abzufallen. Der Rest der Schaltung besteht in diesem Fall aus den internen Widerständen in der Stromversorgung und den Drähten. Diese Widerstände sind normalerweise ziemlich niedrig (so niedrig, dass Sie sie normalerweise ignorieren) und es fließt ein großer Strom.

Unter der Annahme, dass die Widerstände im Bereich von 0,1 Ohm liegen, würde dies einen Strom von I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 Ampere ergeben.

Die in der LED verbrauchte Leistung wäre P = I * V = 10 * 2 = 20 Watt.

Dies würde die LED sehr schnell bis zu dem Punkt erwärmen, an dem sie zerstört wird. Die reale Welt ist etwas komplexer, da die LED nicht den perfekten Null-Widerstands-Spannungsabfall voraussetzt, sondern das Endergebnis in beiden Fällen das gleiche ist.

Wenn wir zusätzlich zu den internen Widerständen einen Vorwiderstand von 100 Ohm hinzufügen, wird der Strom auf 10 mA reduziert und die LED leuchtet gut.

Durch Ändern des Widerstandswerts wird die Helligkeit geändert. Die meisten kleinen LEDs sind auf maximal 20 mA begrenzt und werden bei einem Wert von weniger als 1 mA nicht sichtbar. Im Allgemeinen ist es kaum bemerkbar, dass ein Wert über 10 mA überschritten wird (dies liegt mehr an der Funktionsweise der Augen als an der Funktionsweise der LEDs). Sie können die Helligkeit auch ändern, indem Sie sie sehr schnell ein- und ausschalten. Dies ist für digitale Systeme einfacher und in der Regel effizienter bei einer bestimmten wahrgenommenen Helligkeit (wiederum mehr Augen als LEDs). Auf diese Weise können Sie die Helligkeit ändern während nur ein einziger fester Widerstand in der Hardware. Wenn Sie vorhaben, einen variablen Widerstand zum Einstellen der Helligkeit zu verwenden, empfiehlt es sich, auch einen kleinen festen Wert anzugeben, damit der Strom bei 0 des variablen Widerstands auf 20 mA begrenzt wird.

Was ist, wenn wir zwei LEDs in Reihe schalten?

Jede LED benötigt 2V zum Einschalten. Zwei LEDs bedeuten 4V. Bei einer 3-V-Quelle reicht die Spannung nicht aus, um die Dioden in Durchlassrichtung vorzuspannen, sodass sie den gesamten Stromfluss blockieren. Die LEDs sind aus. Wenn Sie die Spannung erhöhen und den Strombegrenzungswiderstand richtig einstellen, werden beide eingeschaltet. Da die Helligkeit vom Strom durch die LED abhängt und beide den gleichen Strom haben, haben sie die gleiche Helligkeit (für den gleichen LED-Typ).

Was ist, wenn wir zwei LEDs parallel schalten?

Addieren wir zwei parallele mit jeweils einem eigenen Widerstand, handelt es sich praktisch um getrennte Schaltkreise. Vorausgesetzt, die Stromversorgung ist ausreichend, verhält sich jeder so, als wäre es der einzige.

Wenn sie sich den Widerstand teilen, wird es interessanter. Theoretisch würde dies gut funktionieren, Sie müssten den Widerstandswert halbieren, um den gleichen Strom pro LED zu erhalten, aber anders als erwartet würde es funktionieren. Leider sind keine zwei LEDs identisch, sie haben alle sehr geringfügig unterschiedliche Vorspannungen, was bedeutet, dass mehr Strom durch einen fließt als durch den anderen (es wäre der gesamte Strom durch einen, wenn es nicht den geringen Anstieg der Spannung als Strom gäbe) erhöht, die wir normalerweise ignorieren).

Dies bedeutet, dass zwei LEDs parallel zu einem einzelnen Widerstand fast nie die gleiche Helligkeit haben.

Im Allgemeinen wird bei allen Anwendungen, bei denen eine Gruppe von LEDs angesteuert werden muss (z. B. eine Hintergrundbeleuchtung), eine lange Reihe von LEDs verwendet und die Spannung so hoch erhöht, dass sie alle dieselbe Helligkeit aufweisen.

Während eine LED nichts anderes als eine Glühlampe ist, lautet die Antwort immer noch JA.

Der einzige Unterschied bei den Berechnungen des Ohmschen Gesetzes besteht darin, die LED-Durchlassspannung von der Versorgungsspannung zu subtrahieren.

Der Unterschied in der Durchlassspannung der LED gegenüber dem Durchlassstrom ist unbedeutend.

Ich habe die Spannung einer Reihe von 16 roten LEDs bei 200, 350 und 500 mA gemessen. Die Spannungen betrugen 30.07, 31.20, 31.43. 1,02% ige Änderung von 200 auf 500 mA.