Как резисторы ограничивают ток для светодиода? [закрыто]

Question

Как резисторы ограничивают ток для светодиода? [закрыто]

АнимацияB

Если у меня есть светодиод с Vf = 2,1 В и I = 20 мА, закон Ома говорит, что я должен иметь последовательно резистор со значением R = 145 Ом, если напряжение питания Vs = 5 В.

Однако я считаю, что вместо этого можно поставить резистор с более высоким номиналом, чтобы уменьшить энергопотребление и яркость светодиода. Я делал это в эксперименте много раз, но я не знаю математики, стоящей за этим. Уменьшает ли последовательный резистор с более высоким номиналом ток, идущий на светодиод? Если да, то каковы уравнения, чтобы я мог разработать правильную схему без экспериментов?

Спасибо вам за помощь! Меня также интересуют резисторы с более высокими значениями, потому что я знаю, что они не нагреваются так сильно и не потребляют столько энергии.

ПлазмаHH

Ну, закон Ома, просто применить его?

пользователь103380

Посмотрите: законы Кирхгофа и закон Ома.

АнимацияB

Спасибо, я не знаю почему, но мне показалось рекурсивным использовать закон Ома, но теперь это имеет смысл.

Гарри Свенссон

Я считаю, что это первый раз, когда у нас есть этот вопрос на этом сайте.

придурок

@HarrySvensson Возможно. Но есть одно, которое я помню, которое может, по крайней мере, затронуть некоторые из заданных вопросов: уравнение диода с последовательным сопротивлением .

Гарри Свенссон

@jonk Это была плохая шутка с моей стороны. - Этот вопрос задавался несколько раз, но этот замаскирован, поэтому идеального «дубликата» не существует. - Я согласен с вами на 100%.

придурок

@HarrySvensson :) Хорошо. Я думаю, что мне действительно нравится, так это то, что светодиод и резистор связаны с математикой, которая одновременно ОЧЕНЬ проста и доступна, а также ОЧЕНЬ сложна. Для большинства применений это чрезвычайно просто. Но я полагаю, что если вы использовали какой-то эффект 3-го порядка для какой-то необычной цели, может потребоваться более сложная математика. Это просто забавно, что что-то, казалось бы, простое, может также обременить типичную подготовку многих студентов.

лукас92

Повторите этот вопрос: electronics.stackexchange.com/questions/85845/…

Ответы (6)

Как резисторы ограничивают ток для светодиода? [закрыто]

Ну, закон Ома, просто применить его?
Посмотрите: законы Кирхгофа и закон Ома.
Спасибо, я не знаю почему, но мне показалось рекурсивным использовать закон Ома, но теперь это имеет смысл.
Я считаю, что это первый раз, когда у нас есть этот вопрос на этом сайте.
@HarrySvensson Возможно. Но есть одно, которое я помню, которое может, по крайней мере, затронуть некоторые из заданных вопросов: уравнение диода с последовательным сопротивлением .
@jonk Это была плохая шутка с моей стороны. - Этот вопрос задавался несколько раз, но этот замаскирован, поэтому идеального «дубликата» не существует. - Я согласен с вами на 100%.
@HarrySvensson :) Хорошо. Я думаю, что мне действительно нравится, так это то, что светодиод и резистор связаны с математикой, которая одновременно ОЧЕНЬ проста и доступна, а также ОЧЕНЬ сложна. Для большинства применений это чрезвычайно просто. Но я полагаю, что если вы использовали какой-то эффект 3-го порядка для какой-то необычной цели, может потребоваться более сложная математика. Это просто забавно, что что-то, казалось бы, простое, может также обременить типичную подготовку многих студентов.
Повторите этот вопрос: electronics.stackexchange.com/questions/85845/…

Миту Радж · Answer 1

Так как прямое напряжение диода незначительно меняется в зависимости от тока через него, более точное значение тока можно узнать по формуле:

Участок вперед VI символа светодиода (из его описания).
Постройте линию нагрузки последовательного резистора для данного значения R.
Найдите точку пересечения двух графиков. Это должна быть рабочая точка цепи светодиод + последовательный резистор.

Vs - Напряжение питания.

V,I - Прямое напряжение и ток через светодиод.

Is - Ток через светодиод для данного последовательного резистора R.

Скажем по-другому: вы можете выбрать любую точку на кривой Vi диода и подставить эти числа обратно в уравнение для расчета нового сопротивления. Существует также физическое уравнение для диодов, но в нем много физических констант, которые вы не сможете найти для любого стандартного диода, поэтому для этой задачи оно непрактично.

придурок · Answer 2

Очень простая модель работает рядом с нормальной областью работы светодиода. Просто следующая очень доступная линейная функция:

В_{Д} знак равно В_{Ф} + я_{Д} \cdot р_{Ф}

$V_D=V_F+I_D\cdot R_F$

Обратите внимание, что мой $V_F$ не совпадает с тем, что вы написали в своем вопросе. Это минимальное значение, которое возникает, когда $I_D=0\:\textrm{A}$ . (Что никогда не бывает полезным, так что опять же это просто значение модели.)

Также, $V_D=V - I_D\cdot R_1$ , так:

\begin{aligned} В - я_{Д} \cdot р_{1} & знак равно В_{Ф} + я_{Д} \cdot р_{Ф} \\ ∴ \\ я_{Д} & знак равно \frac{В - В_{Ф}}{р_{1} + р_{Ф}} \end{aligned}

$\begin{align*} V - I_D\cdot R_1&=V_F+I_D\cdot R_F\\\\ &\therefore\\\\ I_D&=\frac{V-V_F}{R_1+R_F} \end{align*}$

Скажем так $V_F=1.6\:\textrm{V}$ и $R_F=25\:\Omega$ . Тогда вы обнаружите, что получаете $2.1\:\textrm{V}$ в $20\:\textrm{mA}$ . (Что, учитывая только одну точку данных, пожалуй, лучшее, что мы можем сделать на данный момент.)

Теперь вы можете вычислить значение $R_1$ в зависимости от желаемого тока:

р_{1} знак равно \frac{В - В_{Ф}}{я_{Д}} - р_{Ф}

$R_1=\frac{V-V_F}{I_D}-R_F$

И это довольно легко применить. Идя с вышеуказанными параметрами, я получаю $R_1=\frac{5\:\textrm{V}-1.6\:\textrm{V}}{20\:\textrm{mA}}-25\:\Omega=145\:\Omega$ .

Но теперь у вас на самом деле есть функция, позволяющая вам подключать меньшие или большие значения тока, которые будут использовать локальный наклон работы светодиода, чтобы получить более точную оценку для вашего резистора. (Предполагая, что вы приблизились к значениям параметров.)

Вам нужно всего лишь два измерения с фактическим светодиодом с двумя соседними, но разными значениями резисторов, чтобы довольно точно выяснить, какие значения параметров должны быть близки к среднему измеренному току для этого эксперимента. Так что это не сложно найти, просто из стендового теста.

Фактическая кривая зависимости напряжения диода от тока диода не является линейной. Но для узкого диапазона вокруг расчетной рабочей точки у него есть наклон, который не сильно меняется, поэтому приведенное выше уравнение может работать достаточно хорошо, если вы остаетесь вблизи рекомендуемой рабочей точки.

Если вы хотите поддерживать гораздо более широкий диапазон поведения, все становится немного сложнее. Давайте начнем с того, что просто покажем базовую схему, о которой вы говорите:

схематический

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Светодиодный диод довольно хорошо следует модели уравнения Шокли в очень широком диапазоне поведения. Чтобы вычислить пересечение линии нагрузки резистора и кривой светодиодного диода, давайте пройдемся по сумасшедшей математике.

Ток, основанный на уравнении Шокли:

я_{Д} знак равно я_{С} \cdot (е^{\frac{В_{Д}}{н \cdot В_{Т}}} - 1)

$I_{D}=I_{S}\cdot\left(e^\frac{V_{D}}{n\cdot V_T}-1\right)$

В приведенном выше уравнении $I_S$ - ток насыщения диода или светодиода (который сам по себе сильно зависит от температуры), $n$ – коэффициент эмиссии , а $V_T$ тепловое напряжение (около $26\:\textrm{mV}$ при комнатной температуре.) Первые два являются параметрами модели, а последний - физической характеристикой, полученной из большой статистики населения сталкивающегося взаимодействующего вещества.

Также бывает так, что напряжение диода — это то, что осталось после падения напряжения на резисторе, поэтому вспоминая то, что я писал ранее:

В_{Д} знак равно В - я_{Д} \cdot р_{1}

$V_D=V - I_D\cdot R_1$

Объединение этих двух дает:

я_{Д} знак равно я_{С} \cdot (е^{\frac{В - я_{Д} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}} - 1)

$I_{D}=I_{S}\cdot\left(e^\frac{V - I_D\cdot R_1}{n\cdot V_T}-1\right)$

Обратите внимание, что $I_D$ находится в обеих частях уравнения.

Для решения этого требуется функция LambertW, которая решает $v=u e^u$ за $u$ , данный $v$ . Итак, все, что нам нужно сделать, это привести вещи в эту форму:

\begin{aligned} (1) & я_{Д} & знак равно я_{С} \cdot (е^{\frac{В - я_{Д} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}} - 1) \\ (2) & (я_{Д} + я_{С}) е^{\frac{я_{Д} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}} & знак равно я_{С} е^{\frac{В}{н \cdot В_{Т}}} \\ (3) & \frac{(я_{Д} + я_{С}) \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{я_{Д} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}} & знак равно \frac{я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{В}{н \cdot В_{Т}}} \\ (4) & \frac{(я_{Д} + я_{С}) \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{(я_{Д} + я_{С}) \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}} & знак равно \frac{я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{В + я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}} \\ ∴ \\ (5) & \frac{(я_{Д} + я_{С}) \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} & знак равно ЛамбертВ (\frac{я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{В + я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}}) \\ (6) & я_{Д} & знак равно \frac{н \cdot В_{Т}}{р_{1}} ЛамбертВ (\frac{я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{В + я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}}}) - я_{С} \end{aligned}

$\begin{align*} I_{D}&=I_{S}\cdot\left(e^\frac{V - I_D\cdot R_1}{n\cdot V_T}-1\right)\tag{1}\\\\ \left(I_{D}+I_{S}\right)e^\frac{I_D\cdot R_1}{n\cdot V_T}&=I_{S}\:e^\frac{V}{n\cdot V_T}\tag{2}\\\\ \frac{\left(I_D+I_S\right)\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{I_D\cdot R_1}{n\cdot V_T}&=\frac{I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{V}{n\cdot V_T}\tag{3}\\\\ \frac{\left(I_D+I_S\right)\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{\left(I_D+I_S\right)\cdot R_1}{n\cdot V_T}&=\frac{I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{V+I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\tag{4}\\\\ &\therefore\\\\ \frac{\left(I_D+I_S\right)\cdot R_1}{n\cdot V_T}&=\operatorname{LambertW}\left(\frac{I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{V+I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\right)\tag{5}\\\\ I_D &=\frac{n\cdot V_T}{R_1}\:\operatorname{LambertW}\left(\frac{I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{V+I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\right)-I_S\tag{6} \end{align*}$

Это настоящая математика. Обычно значение $I_S$ довольно мал, поэтому приведенное выше можно немного упростить:

\begin{aligned} (7) & я_{Д} & \approx \frac{н \cdot В_{Т}}{р_{1}} ЛамбертВ (\frac{я_{С} \cdot р_{1}}{н \cdot В_{Т}} е^{\frac{В}{н \cdot В_{Т}}}) \end{aligned}

$\begin{align*} I_D &\approx\frac{n\cdot V_T}{R_1}\:\operatorname{LambertW}\left(\frac{I_S\cdot R_1}{n\cdot V_T}\:e^\frac{V}{n\cdot V_T}\right)\tag{7} \end{align*}$

Конечно, вам нужны значения модели для диода. Различные значения модели, поскольку они основаны на другой (и более полной) модели светодиодного диода.

Взяв ваш пример, я могу предположить, что $n=4$ и $I_S=35\:\textrm{pA}$ . Используя приведенное выше уравнение, я получаю $I_D\approx 8.5\:\textrm{mA}$ . Обратите внимание, что это не то значение, которое вы предложили. Но я только что придумал некоторые значения модели. И на самом деле вам нужно было бы подключить вещи так, как вы написали, и измерить результаты, чтобы любой аргумент был выбран как более близкий. Кто знает?

Абсолютно никто из тех, кого я знаю, никогда не делал ничего подобного. Вышеупомянутое уравнение, если параметры модели рассчитаны и если поддерживается температура кристалла светодиода, будет очень близко к правильному на много-много порядков величины. Это удивительно хорошо для большого диапазона поведения. Но на практике для управления светодиодом дизайнеру не нужно туда лезть.

Есть много причин, почему. На практике температура светодиода никогда не остается стабильной. И в любом случае параметры модели, которые работают в большом диапазоне, не нужны, потому что светодиод обычно работает вблизи своего номинального значения тока. Кроме того, человеческое восприятие яркости светодиодов является логарифмическим и не особенно чувствительно к скромным различиям в токе (если вы, я полагаю, не видите два, расположенных рядом). уравнения, чем имеющие какое-либо практическое значение для светодиодов.

ЧтоГрубый Зверь · Answer 3

ЧтоГрубый Зверь

Ты делаешь это правильно. Вычтите Vf из напряжения питания. Это дает падение напряжения на резисторе. Теперь применим к резистору закон Ома, задав нужный ток. Зная напряжение и силу тока, можно рассчитать соответствующее сопротивление.

АнимацияB

Спасибо, я не знаю почему, но мне показалось рекурсивным использовать закон Ома, но теперь это имеет смысл.

ЧтоГрубый Зверь

@AnimationB - Закон Ома - это не только сопротивление. Закон Ома является многоцелевым инструментом. Он связывает 3 величины: сопротивление, напряжение и ток. Таким образом, вы можете использовать его, чтобы найти любую из этих величин, если вы знаете две другие.

Тони Стюарт EE75

используйте закон Ома для всех частей, даже пульсирующий ток через ESR в конденсаторах для SMPS

ЧтоГрубый Зверь

@TonyStewart.EEsince'75 - Ха! Опередить вас на 1 секунду. Это сокращение его близко.

Стив Джи · Answer 4

Вычислить точное значение тока через светодиод для данного номинала резистора может быть немного сложно. Но с током светодиода мы обычно не слишком заботимся о точности, поэтому мы можем сделать упрощение: напряжение на светодиоде всегда будет 2,1 В, независимо от того, какой ток протекает через него. При напряжении питания 5 В вы можете видеть, что разница в 2,9 В должна падать на резистор независимо от того, какой ток течет. Назовем это Вр.

Используя закон Ома, ток через резистор (и, следовательно, через светодиод) будет определяться как Vr/R или, в вашем случае, 2,9/R. В качестве альтернативы значение резистора для данного тока равно R = Vr/I.

Например, если вам нужен ток светодиода 5 мА, R = Vr/I или 2,9/0,005. то есть 580 Ом.

Обратите внимание, что напряжение на рабочем светодиоде зависит от цвета — около 1,8 вольта для красного, 2,1 вольта для зеленого и 3 вольта или более для синего и белого — вы не можете (или не должны) просто предположить 2,1 вольта для всех светодиодов. .
@PeterBennett, да, вы правы, я слишком упростил это. Я имел в виду его конкретный светодиод, который, как я полагаю, зеленый.

Мини Лейс · Answer 5

Если последовательное сопротивление = R, прямое напряжение диода = Vf, напряжение питания = Vs, то протекающий ток примерно равен:

я знак равно (В с - В ф) / р

$I = (Vs-Vf)/R$

Тревор_G · Answer 6

Вот что касается светодиодов, они действительно предназначены для устройств, управляемых током.

Если вы посмотрите на спецификацию типичного светодиода, вы увидите что-то вроде этого.

Обратите внимание на тестовое условие 20 мА.

Почти каждый светодиод, который вы найдете, будет рассчитан на рекомендуемый рабочий ток. Прямое напряжение — это диапазон напряжений, в пределах которого устройство гарантированно находится при работе с этим током. Диапазон включает производственные допуски.

Если вы углубитесь в листы спецификаций, вы также часто можете найти график, подобный этому, для типичного диода из линейки.

Обратите внимание, что, как и у всех диодов, фактическое прямое напряжение зависит от того, какой ток вы пытаетесь пропустить через него. Имейте в виду, что график и максимально-минимальные числа — это не одно и то же. График имеет аналогичную левую и правую дисперсию между частями.

Однако для управления светодиодом с помощью источника тока требуются дополнительные компоненты, и поэтому мы часто обманываем и вместо этого используем токоограничивающий резистор.

Поскольку это действительно обман, математика становится немного сложнее.

Чтобы управлять вышеуказанным светодиодом, скажем, от источника 5 В с максимальным током 20 мА, нам нужно будет использовать более низкое значение Vf. То есть $R =( 5 - 1.8)/0.02 = 160\Omega$ .

Теперь нам нужно проверить нижний и верхний пределы, включая допуск резистора.

$I_{f_{hi}} = (5-1.8)/(160*0.95) = 21.05mA$
$I_{f_{lo}} = (5-2.6)/(160*1.05) = 14.29mA$

Это кажется немного широким, поэтому давайте вместо этого воспользуемся графиком.

При 20 мА график показывает около 2,3 В.

Используя формулу, которая делает $R =( 5 - 2.3)/0.02 = 135\Omega$ .

130R 5% — это ближайшее значение резистора, поэтому теперь нам нужно проверить оба конца, включая допуск резистора.

$I_{f_{hi}} = (5-1.8)/(130*0.95) = 25.9mA$
$I_{f_{lo}} = (5-2.6)/(130*1.05) = 17.6mA$

Вы можете видеть, что дисперсия на самом деле хуже, а яркость намного ярче, поэтому первый метод был лучше.

Является ли отклонение допустимым, зависит от проектных требований. Как видно из типичного графика ниже, яркость светодиодов довольно линейно зависит от приложенного тока.

При использовании более низкого напряжения питания эта математика не всегда дает подходящее значение резистора . Значение становится настолько малым, что дисперсия может либо предотвратить загорание светодиода, либо сжечь его.

Еще больше усложняет ситуацию то, что токи и напряжения меняются в зависимости от температуры.

Таким образом, в некоторых ситуациях вам действительно нужно использовать какой-то драйвер постоянного тока, особенно если вы собираетесь управлять светодиодом где-то близко к его максимальному номинальному току.

Как резисторы ограничивают ток для светодиода? [закрыто]

АнимацияB

ПлазмаHH

пользователь103380

АнимацияB

Гарри Свенссон

придурок

Гарри Свенссон

придурок

лукас92

Ответы (6)

Миту Радж

kjgregory

придурок

ЧтоГрубый Зверь

АнимацияB

ЧтоГрубый Зверь

Тони Стюарт EE75

ЧтоГрубый Зверь

Стив Джи

Питер Беннет

Стив Джи

Мини Лейс

Тревор_G

Светодиод 12 В постоянного тока и цепь двигателя - перегрев

Определить напряжение питания для светодиода от токоограничивающего резистора

Могу ли я рассчитать потребляемую мощность резистивного устройства при определенном напряжении, зная его номинальную мощность при другом напряжении?

Как рассчитать номинальную мощность резисторов с нулевым сопротивлением?

Как трансформатор увеличивает напряжение при уменьшении тока?

Светодиод «Пониженная передача»

Ограничение тока массива мощных светодиодов

Светодиодный индикатор обрыва и короткого замыкания

Как токоограничивающий резистор для светодиода влияет на падение тока и напряжения?

Почему каждый ряд ячеек в аккумуляторной сетке должен иметь одинаковое количество ячеек для максимальной передачи мощности?