Was passiert, wenn eine LED an eine Versorgungsspannung angeschlossen wird, die größer als ihr Spannungsabfall ist?

Mein Verständnis von Widerstand und Spannung ist schrecklich. Ich habe gehört, dass nach Kirchhoffs Gesetz (in meinen Worten bitte korrigieren) die von der Schaltung verwendete Spannung der gelieferten Spannung entsprechen muss. Wenn ich zum Beispiel eine 9-V-Batterie hatte, muss ich alle 9 V verwenden.

Nehmen wir an, ich habe eine LED mit einer typischen Durchlassvorspannung von 3,1 V, was bedeutet, dass sie 3,1 V verliert, während sie Licht erzeugt. Wird die LED bei Verwendung von 9 V durchbrennen?

Es ist höchstwahrscheinlich wahr, aber ein schönes Beispiel wird mein Verständnis wirklich intuitiver machen.

Dies ist eine dieser Situationen, in denen Ihr Problem nicht darin besteht, wie gut Sie in der Analyse sind oder welches Grundwissen Sie möglicherweise haben, sondern einfach darin, dass Sie keine Ahnung haben, was Sie nicht wissen. Dies macht den ersten Schritt in die Elektronik immer zu einem sehr hohen.

Was wissen Sie in Ihrem Beispiel nicht über eine Batterie?

1. Die Klemmenspannung einer idealen Batterie würde sich niemals ändern (zumindest bis die gesamte Energiespeicherkapazität verbraucht ist). Es muss also Faktoren geben, die die Klemmenspannung und ihre nutzbare Energiekapazität beeinflussen. Eine kurze Liste enthält Chemie, Materialvolumen, Temperatur und Anoden- / Kathodendesign.
2. Eine praktische Batterie hat eine begrenzte Kapazität und viele der anderen Faktoren, die die Klemmenspannung und die potenzielle Stromfähigkeit beeinflussen, können in ein Modellelement namens "Innenwiderstand" integriert werden. Im Modell für die meisten größeren Batterien sind dies Bruchteile eines Ohm. Die Batterie hat jedoch auch andere Elemente wie Kapazität und Induktivität, um die Situation komplexer zu machen. Sie könnten durch das Lesen über Batteriemodelle mit Texten wie starten diese .

Ein gutes Beispiel für eine größere Batterie mit sehr kleinem Innenwiderstand ist eine 12-V-Autobatterie. Wenn Sie das Auto starten, werden Hunderte von Ampere (kW Leistung und Strom im Bereich von 600 A) benötigt, um den Motor umzuschalten, und die Klemmenspannung kann von 13,8 V (eine voll aufgeladene Blei-Säure-Autobatterie) auf nur noch abfallen 10 V beim Anlassen. Der Innenwiderstand könnte also (unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes) nur etwa 6 Milliohm betragen.
Sie können das Denken für dieses Beispiel auf kleinere Batterien wie AA-, AAA- und C-Batterien skalieren und zumindest die Komplexität einer Batterie verstehen.

Was wissen Sie nicht über eine LED?

1. Die Komplexität des elektrischen Modells für eine Diode (ob nur ein Gleichrichter oder eine LED) ist immens. Aber wir könnten es hier vereinfachen und sagen, dass es am einfachsten ist, eine Diode durch ihre Bandlückenspannung mit einem Vorwiderstand darzustellen. Sie können hier beginnen, indem Sie sich mit den vielen SPICE-Paketen vertraut machen. Diese Diskussion über StackExchange ist möglicherweise ein guter Ausgangspunkt.
2. Alle Halbleiterbauelemente haben eine praktische Begrenzung in der Menge an Leistung, die sie verbrauchen können. Dies hängt hauptsächlich mit der physischen Größe des Geräts zusammen. Je größer das Gerät ist, desto mehr Leistung kann es normalerweise verbrauchen.

Jetzt können Sie Ihre LED betrachten. Sie sollten zunächst versuchen, das Datenblatt für das Gerät zu verstehen. Während viele der Eigenschaften, die Sie nicht verstehen, bereits eine kennen (aus Ihrer Frage), die Durchlassspannung (Vf) und Sie könnten wahrscheinlich die Strombegrenzung und die maximale Verlustleistung im Datenblatt finden.
Mit diesen können Sie den Serienwiderstand ermitteln, den Sie zur Begrenzung des Stroms benötigen, damit Sie die Verlustleistung der LED nicht überschreiten.

Das Kirchhoffsche Spannungsgesetz gibt Ihnen einen großen Hinweis darauf, dass Sie eine weitere konzentrierte Modellkomponente in der Schaltung benötigen müssen, da die Spannung an der LED etwa 3,1 V beträgt (und die Stromkurve des Datenblattes besagt, dass Sie niemals 9 V anlegen könnten).

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

Hinweis: Die oben angegebene interne Impedanz der Batterie wird einfach angegeben, um die Berechnung zu vereinfachen. Je nach Batterietyp (primär oder wiederaufladbar) kann der Innenwiderstand variieren. Überprüfen Sie Ihr Batteriedatenblatt.

Könnte das unbekannte Element oben einfach ein Stück Draht sein (kein Element)?
Es könnte ... aber wir können die Ergebnisse leicht berechnen.
Bei zwei idealen Spannungselementen (9 V und 3,1 V) müssen die Widerstände 5,9 V über sich haben (Kirchhoffsche Spannungsschleife). Der Stromfluss muss daher 5,9 / 10,1 = 584 mA betragen.
Die in der LED verbrauchte Leistung beträgt (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 Watt. Da Ihre LED wahrscheinlich nur eine Leistung von 300 mW hat, können Sie sehen, dass sie sich dramatisch erwärmt und höchstwahrscheinlich innerhalb von Sekunden ausfällt.

Wenn das unbekannte Element ein einfacher Widerstand ist und der Strom durch die LED beispielsweise 20 mA betragen soll, haben wir genug, um den Wert zu berechnen.

Die Klemmenspannung der Batterie wäre (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 V Die Klemmenspannung der LED wäre (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 V.

Die Spannung am unbekannten Widerstand beträgt also 5,698 und der Strom durch ihn 20 mA. Der Widerstand beträgt also 5,698 / 0,02 = 284,9 Ohm.

Unter diesen Bedingungen gleichen sich die Schleifenspannungen aus und die LED überschreitet ihren vorgesehenen Wert von 20 mA. Die Verlustleistung beträgt daher ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 mW .... hoffentlich gut innerhalb der Möglichkeiten einer kleinen LED.

Hoffe das hilft.

Ja, die LED wird wahrscheinlich beschädigt. Das ist die Kurzgeschichte.

In der Realität fällt die Batteriespannung etwas ab, weil sie viel Strom abgibt (Batterien haben einen Innenwiderstand, der je nach Ladezustand, Entladungsverlauf, Temperatur und anderen Faktoren variiert - möglicherweise einige Ohm für eine frische 9-V-Batterie) Die LED-Spannung steigt an (LEDs erhöhen die Spannung nichtlinear mit dem Strom), bis sich die beiden genau treffen (wenn Sie einen kleinen Abfall in den Drähten ignorieren).

Nehmen wir also an, die Batteriespannung fällt auf 5 V ab und die Batterie liefert 1,5 A. Das bedeutet, dass die LED-Durchlassspannung 5 V beträgt und 5 V * 1,5 A = 7,5 W verbraucht, was bedeutet, dass sie sehr schnell durchbrennt, vorausgesetzt, es handelt sich um eine kleine 3-mm- oder 5-mm-Anzeige-LED.

Wenn Ihre 3,1-V-LED zufällig ein Bündel paralleler LED-Würfel wäre und in der Lage wäre, (sagen wir) 2A sicher zu handhaben, würde die Batteriespannung andererseits auf etwa 3,1 V abfallen (aufgrund des Innenwiderstands der Batterie). wie oben) und die LED würde mit ca. 6W Eingangsleistung leuchten. Natürlich würde der Akku schnell leer sein (bestenfalls - oder er könnte sehr heiß werden und möglicherweise heftig explodieren. Einige Typen wie NiCd-Akkus oder bestimmte ungeschützte Lithium-Akkus sind möglicherweise gefährlicher als andere.

Folgendes passiert: Zuerst habe ich eine grüne LED mit einem 1-kΩ-Widerstand richtig an 9 V angeschlossen, um die Restspannung zu erfassen.

Dann ohne.

Erstaunlicherweise funktioniert die LED danach, wieder mit einem Widerstand, immer noch, aber merklich dunkler.

Versuchen Sie das nicht zu Hause, Kinder ... außer, zum Teufel, warum nicht ... es ist Wissenschaft !

Warum es kurz gelb / rot leuchtet, bevor es „aufleuchtet“, weiß ich nicht. Wahrscheinlich ist das Ergebnis für jeden LED-Typ unterschiedlich.

In der Praxis gibt es in Ihrem hypothetischen Beispiel einige "versteckte" oder parasitäre Widerstände, die Sie nicht kennen. Für den Anfang hat die Batterie einen internen Serienwiderstand. Die LED hat ebenso einen Widerstand wie die gesamte Verkabelung in Ihrem Stromkreis. Der Spannungsabfall an allen diesen Widerständen sowie der Eigenspannungsabfall der LED addieren sich zur Batteriespannung.

Die Frage ist nur: Bei welchem ​​Strom passiert das? Wenn es hoch genug ist, kocht Ihre LED und brennt. Ein zusätzlicher Widerstand in Form eines tatsächlichen Widerstands in Reihe mit der LED verhindert dieses Problem. Die Bestimmung des Widerstandswerts ist eine Gelegenheit, das Ohmsche Gesetz anzuwenden.

Dieses Diagramm mit Volt an der X-Achse und Strom an der Y-Achse wird verwendet, um die Gleichung für 2-Komponenten-Spannungsteiler in Reihe grafisch zu "lösen". Es kann für einen reinen Widerstandsteiler oder wie hier mit Diode und Widerstand verwendet werden.

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

Schalten Sie eine zweite Komponente in Reihe, um die Spannung zu teilen. Zum Beispiel möchten Sie, dass die LED mit ihren 3,1 Volt sicher arbeitet und einen WIDERSTAND hat, um die nicht benötigten [9 - 3,1] = 5,9 Volt zu verbrauchen. Bei 10 mA (was Sie als 100 Ohm pro Volt anzeigen können) benötigen Sie 100 Ohm / Volt * 5,9 Volt = 590 Ohm. Übliche Werte sind 560 Ohm und 620 Ohm.

Hier benötigen Sie eine Reihenschaltung: die Quelle bei 9 Volt und dann ZWEI Komponenten, um die Batteriespannung zu teilen.

Verwenden wir nun das gleiche IV-Diagramm wie ein Nomogramm, um ohmsche Spannungsteiler zu lösen.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Die Antwort auf Ihre Titelfrage lautet: Die LED leuchtet auf.

Voraussetzung ist, dass Ihr Strom innerhalb der minimalen und maximalen Grenzen der betreffenden LED liegt.

Bei einem niedrigen Strom brennt es schwach, und bei einem Nennstrom brennt es hell. Zu viel Strom bläst die LED.

Sie begrenzen den Strom auf den gewünschten Wert (häufig 15 bis 20 mA), indem Sie den richtigen Widerstand in den Stromkreis einlegen.

Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz, um das herauszufinden. R (Ohm) = V (Volt) / I (Ampere).

Innerhalb angemessener Grenzen ist die Spannung für eine LED ziemlich irrelevant, es ist der Strom, der sie aufleuchtet. Sie müssen natürlich eine Spannung haben, die ausreicht, um den internen Spannungsabfall der LED am unteren Ende zu überschreiten.

Nicht alle 9-V-Versorgungen sind gleich. Einige werden die LED blasen und andere nicht. (Dies hängt vom Kurzschlussstrom oder Innenwiderstand ab.)

9 V - 3,1 V = 5,9 V fehlen. Dies fällt in die 9-V-Versorgung, das Kabel und in die LED. (Dies sind die Widerstände, die den Spannungsverlust oder den Spannungsabfall verursachen.)

Es ist sehr schwierig, etwas ohne Hitze zu blasen (außer für statische Aufladung in MOS). Die Hitze braucht Zeit, um sich aufzubauen (und den Rauch freizusetzen. :-)

Die Wärme, die die LED zerstört, ist auf die Spannung von 3,1 V, den LED-Innenwiderstand, den Strom (V / R) und die Zeit zurückzuführen. Ein Teil der Wärme (bevor der Rauch entsteht) geht an die Umwelt verloren. Aus diesem Grund werden in einigen Kreisläufen Kühlkörper verwendet, um Rauch zu vermeiden.

In erster Näherung haben LEDs unter Vernachlässigung der Innenwiderstände eine exponentielle I / V-Vorwärtskennlinie. In der Realität sind dies die Eigenschaften des vorwärts polarisierten Übergangs: Reale Geräte haben einen in Reihe geschalteten Innenwiderstand, typischerweise einige Ohm.

Der "nominelle" Spannungsabfall der LED ist nur ein Punkt der Eigenschaften. Normalerweise entspricht die Spannung 20 mA oder einem bestimmten nominalen Durchlassstrom.

Wenn Sie Ihre LED über die Batteriepole legen, erstellen Sie eine Reihenschaltung, die eine "ideale" Spannungsquelle von 9 V, die LED und den Innenwiderstand der Batterie (z. B. 2 Ohm) enthält.

Der Arbeitspunkt Ihrer LED ist der Schnittpunkt ihrer Vorwärtskennlinie mit einer Lastlinie, die durch die Quellenspannung (9 V) und den Innenwiderstand der Batterie bestimmt wird. Der Spannungsabfall an Ihrer LED ist viel höher als der Nennwert von 3,1 V.

Sofern es sich bei Ihrer LED nicht um ein Hochstromgerät handelt, überschreitet der Strom den Nennwert und die LED leidet oder bläst.

LEDs (und Dioden im Allgemeinen) sind etwas seltsam. In erster Näherung unterhalb der Spannungsschwelle kann kein Strom fließen, darüber gibt es keine Einschränkung des Stromflusses.

Stellen Sie sich das als Damm vor. Wenn sich das Wasser unter dem Damm befindet, ist es vollständig blockiert. Sobald der Wasserstand über dem Damm liegt, ist sein Fluss uneingeschränkt, Sie verlieren jedoch immer noch die Menge, die sich hinter dem Damm befindet.

Wenn Sie also mit einer LED mit einem Schwellenwert von 3,1 V 9 V anlegen, müssen Sie noch 5,9 V verbrauchen. Dies wird von den Widerständen in der Schaltung verbraucht, wie durch das Ohmsche Gesetz beschrieben, V = I * R. Wenn Sie keine Widerstände hinzugefügt haben, ist R der Innenwiderstand der Batterien und der Widerstand Ihrer Drähte. Diese Innenwiderstände sind normalerweise klein genug, dass Sie sie ignorieren können, aber in diesem Fall sind sie alles, was Sie haben. Kleine Widerstände und eine feste Spannung bedeuten, dass der Strom sehr hoch ist. Die LED hat einen maximalen Strom, den sie überleben kann, etwa 20 mA für typische LEDs. Wenn Sie dies überschreiten, werden sie sich überhitzen und zerstören.

Wie ich zu Beginn sagte, ist dies nur eine Annäherung an eine LED, in der Praxis nimmt der Spannungsabfall mit dem Strom zu. Dieser Anstieg ist jedoch nicht sehr groß. Wenn Sie sich in einer Situation befinden, in der Sie ihn berücksichtigen müssen, tun Sie entweder etwas sehr Empfindliches, etwas Hochleistungsfähiges oder Sie laufen den Komponentengrenzen zunächst viel zu nahe. Der Anstieg reicht sicherlich nicht aus, um das Endergebnis in diesem Szenario zu beeinflussen.

Alles hat Widerstand. Zeitraum!

• Dazu gehören Batterien (ESR), Dioden (Rs), Induktivitätskappen (DCR) (ESR) und sogar Widerstände (R);)
  • In „Kirchhoff Voltage Loop (KVL)“ wird die Verwendung dieser „Restspannung“ erläutert.
    • Dies ist, nachdem alle Versorgungsspannungen addiert oder subtrahiert wurden
    • mit der Summe aller Teile in Reihe, die jeweils Widerstand haben
  • Auf diese Weise lernen Sie in KVL, wie Sie den resultierenden Strom oder die Durchflussrate von Ladungen in Ampere oder „Ampere“ = 1000 Milliampere (mA) berechnen.

• somit ist dieses "übrig gebliebene V" über die Summe aller Teile R in einer Schleife.

  • Wenn es sich um einen guten Leiter handelt, ignorieren wir normalerweise (aber nicht immer) den Widerstand und den Spannungsabfall.

• also I = V / R jedes Teils nach der Restspannung und der Summe des Schleifenwiderstands, ausgedrückt als Verhältnis.

• Teile, die mit viel Leistung umgehen können, müssen ein niedriges R haben (außer in der Grundschultheorie sagen wir, dass ideale Batterien R = 0 haben).

• Alle Diodenähnlichkeiten haben einen niedrigeren Widerstand über der Schwellenspannung Vt, wenn sie für mehr Leistung ausgelegt sind, bei der Nennvorwärtsspannung Vf

3-V-LEDs haben einen Schwellenwert um 2,8 V und können dann je nach großer Toleranz und natürlich Leistung 3,1 V +/- 10% betragen

 - 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

Wie hoch ist also bei einer weißen 1-W-LED und einer 9-V-Alkalibatterie die verbleibende Spannung und der daraus resultierende Strom?

• Wie wählen Sie R, um diesen Strom zu begrenzen?
• Wie wählen Sie die Nennleistung und den Temperaturanstieg.

(9 V - 2,8 V) / (6 × 1 + (0,5 bis 1) + R) = 0,3 A = 300 mA

lösen für R.

Hinweis Wenn R = 0 ist, wird die LED hell und zu heiß, um zu überleben

Kappen haben ESR, aber als Isolatoren = Dielektrika blockieren sie Gleichstrom, leiten aber Wechselstrom.