Светодиоды, кажется, автоматически саморегулируются для достижения идеального напряжения на клеммах.

Ответ на ваш вопрос "Да", по крайней мере, в какой-то степени. Светодиод — это диод, а полупроводники имеют нелинейное поведение. Это причудливые слова, означающие «не как резистор». В частности, тот факт, что они не проводят (значительный) ток, пока не достигнут определенного напряжения, в основном то, что вы обнаружили. Кремниевые диоды будут иметь напряжение от 0,6 до 0,7 вольт при проводке; то же самое будет и с переходом база-эмиттер транзистора. Германий делает то же самое при напряжении около 0,3 вольта. Стабилитроны имеют такое поведение при некотором номинальном обратном напряжении. Светодиоды делают это при напряжении около 3 вольт (зависит от цвета из-за материалов и легирования).

После того, как диодный переход стал проводящим, если вы попытаетесь поднять напряжение, диод попытается провести больший ток. Это потому, что когда он проводит, он ведет себя так, как будто имеет довольно низкое последовательное сопротивление. По сути, простая модель диода представляет собой последовательно включенный источник напряжения с небольшим сопротивлением. Если в вашей цепи есть какое-либо другое значительное сопротивление (ваших 100 кОм более чем достаточно), то на этом сопротивлении появляется повышенное напряжение , и диод просто потребляет больше тока.

Я видел красный светодиод, используемый в качестве регулятора напряжения. Я не был особенно хорошим регулятором, но этого было достаточно для работы в этом приложении.

Прямое напряжение и ток светодиодов описываются кривой I/V:

Ограничив ток эквивалентным сопротивлением 50 кОм, вы, вероятно, поместите светодиод в область с прямым напряжением около 3 В (если это то, что вы измеряли).

На самом деле расчет будет таким:

120В среднеквадратичное - 3В = 50000R * i

i = 117/50000 = 0,00234 А = 2,34 мА

ps: IRL не использует один резистор последовательно с 120 В переменного тока, они обычно не рассчитаны на пиковое напряжение 200 В. Используйте несколько последовательно. Или вообще не экспериментируйте с 120 В переменного тока, если вы новичок.

pps: различия в измеренных значениях IRL можно объяснить допустимыми отклонениями напряжения резистора, светодиода и розетки переменного тока. (из комментариев: Кроме того, вы будете измерять выпрямленный переменный ток. Многие мультиметры плохо справляются с этим, поскольку они выполняют приблизительный расчет среднеквадратичных значений с учетом синусоиды.)

Я создал «случайную кривую I/V из Интернета», которую Уэсли выбрал для своего ответа. Я все еще работаю над этим, поскольку кривые не совсем точны для какого-либо конкретного семейства светодиодов, но они все еще полезны для объяснения некоторых концепций.

Я не уверен, что полностью понимаю ваш вопрос, но я опубликовал другой вариант графика в статье «Сопротивление» светодиода , который может иметь значение.

Рис. 1. Светодиод можно представить как резистор с постоянным источником напряжения.

Если мы посмотрим на типичную кривую ВАХ для светодиодов, то увидим, что она приблизительно линейна в большей части полезного диапазона. Это позволяет нам моделировать светодиод как резистор и источник напряжения.

Рисунок 2. Модель эквивалентной схемы светодиода.

На рисунке 1 серая линия достаточно близка к кривой светодиода от 20 мА до 100 мА. Мы можем вычислить сопротивление, которое это представляет из закона Ома V=IR, но в этом случае мы будем смотреть на изменение напряжения и тока в интересующей области.

$$R=\frac{ΔV}{ΔI}=\frac{3.5–2.0}{100m–0}=\frac{1.5}{100m}=15\ Ω$$

Мы также можем видеть, что линия пересекает ось X при Vf = 2,0 В. Наша эквивалентная схема для этой интересующей области (см. рис. 2) R1 = 15 Ом и V1 = 2,0 В.

По сравнению с параллельными резисторами 100 кОм в вашей модели, резистор 15 Ом в моей модели ничтожно мал, и светодиод, как вы обнаружили, будет вести себя почти как источник постоянного напряжения.

Поскольку у вас есть настольный блок питания и мультиметр, вы можете построить кривую I/V для имеющихся у вас светодиодов. Я собрал немного длинное видео для этого на странице IV-curves .

Забудьте обо всех причудливых графиках. Это на самом деле довольно просто. Если у вас есть устройство, для которого требуется около$3\:\textrm{V}$по нему и применяются$120\:\textrm{V}$через него через резистор, то у вас есть очень хороший источник тока. Так что сам светодиод не имеет большого значения. Это просто:

$$I = \frac{V_{120\:\textrm{V}}-V_{LED}}{R}$$

Это работает для:

$$\textrm{d} I = \left[\frac{-V_{LED}}{R}\right]\textrm{d}V_{LED}$$

Так с$R\approx 50\:\textrm{k}\Omega$, это означает, что если$\textrm{d}V_{LED}=1\:\textrm{V}$, затем$\textrm{d} I=60\:\mu\textrm{A}$. Это не большое изменение тока для полного изменения напряжения светодиода. Ток$2.4\:\textrm{mA}$станет$2.34\:\textrm{mA}$, или иначе$2.46\:\textrm{mA}$, в зависимости от полного изменения вольта в требуемом значении светодиода. Это не большая вариация.

В процентах вы бы вычислили:

$$\frac{\frac{\textrm{d}I}{I}}{\frac{\textrm{d}V_{LED}}{V_{LED}}}=\frac{V_{LED}}{I}\cdot \frac{\textrm{d}I}{\textrm{d}V_{LED}}=\frac{3\:\textrm{V}}{2.4\:\textrm{mA}}\cdot\frac{-3\:\textrm{V}}{50\:\textrm{k}\Omega}=-0.075$$

Короче говоря, изменение напряжения светодиода на 33% приведет к$-0.075\cdot 33\%\approx -2.5 \:\%$изменение тока в светодиоде.

Так что это довольно хорошее регулирование. Причина в основном из-за огромного значения резистора, который вы здесь используете. Если бы он был меньше, регулирование было бы хуже.

---

Еще одна отдельная причина, по которой следует учитывать, заключается в том, что светодиоды различаются по своему напряжению на основе уравнения Шокли:

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

Или,

$$\textrm{d}V_{LED}\approx \frac{n V_T}{I_{LED}}\textrm{d} I_{LED}$$

Здесь, с$V_T\approx 26\:\textrm{mV}$и$n\approx 2$, вы ожидаете около$50\:\textrm{mV}$изменение напряжения на светодиоде для удвоения тока через него. Это небольшое изменение напряжения для довольно значительного изменения тока через светодиод. И чтобы получить такое изменение, вам пришлось бы удвоить ток через$R$, слишком. А ты знаешь, что этого не может быть. Таким образом, в результате происходит очень незначительное изменение напряжения на светодиоде даже при значительном изменении тока через него.

Эти причудливые диаграммы показывают вам этот эффект. И это взяло бы верх и объяснило бы ситуацию, если бы у вас было гораздо меньшее падение напряжения. Но в вашем случае, даже если бы это было не уравнение Шокли, а какое-то другое поведение, у вас все равно было бы хорошее регулирование из-за того огромного напряжения, которое вы отбрасываете. Например, у вас будет хорошее регулирование с помощью лампочки низкого напряжения. Таким образом, хотя этот эффект объясняет хорошее регулирование с источником низкого напряжения, здесь он не является причиной.

---

Никаких кривых не требуется. Просто у вас здесь БОЛЬШОЙ запас по напряжению, и это объясняет хорошее регулирование.

Если вам нужно увидеть это с другой стороны, просто представьте огромное напряжение$1,000,000\:\textrm{V}$через резистор$100\:\textrm{M}\Omega$. ток будет$10\:\textrm{mA}$, верно? Предположим, вы вставили туда светодиод? На сколько бы изменился ток, если бы светодиоду понадобился$10\:\textrm{V}$вместо того, чтобы просто$3\:\textrm{V}$? Не так много, верно? Поскольку напряжение источника очень велико, а гасящий резистор должен снижать большую часть напряжения, изменения напряжения на светодиоде практически не влияют на ток через светодиод.

Это так просто.

Транзистор прибил это в комментарии. Светодиод плохо саморегулируется, все наоборот. Светодиод настолько плохо саморегулируется, что превращает резистор в полезный регулятор.

Крайний пример

Подумайте об излучателях света в целом . Накаливания линейные, звездочка*. Вы знаете о светодиодах, не очень линейных. Еще менее линейными являются дуговые разрядники (флуоресцентные, неоновые, натриевые, ртутные, галогенидные) — изоляторы, пока дуга не зажжется, а затем короткое замыкание. У всех светоизлучателей есть одна общая черта: они будут довольно хорошо работать при постоянном токе.

Итак, давайте возьмем более экстремальный пример. Все, что у вас есть, это распределительная линия 2400 В переменного тока над вашей свалкой, натриевая лампа высокого давления мощностью 400 Вт и розетка (в идеале 4 А при 100 В) и огромный резистор 1 кОм 20 кВт. Подключаешь последовательно Line -- Resistor -- HPS bulb -- Line. Что происходит?

В состоянии покоя сопротивление лампы равно бесконечности, ток течет 0, резистор падает на 0 В, поэтому в розетке присутствует 2400 В. Это напряжение дугового разряда лампы HPS. Теперь лампочка горит, и это короткое замыкание или достаточно близко к единице.

Теперь, когда течет ток и лампа пытается имитировать короткое замыкание, почти все падение напряжения приходится на резистор: E=IR 2400V=I*1000ohm. У нас течет максимум 2,4 ампера -5%. Это находится в пределах рабочего диапазона лампы накаливания мощностью 400 Вт, поэтому она излучает, вероятно, 200-230 Вт желтушного желтого света. Стремление лампы к короткому замыканию делает резистор лучшим регулятором. Без резистора лампочка расплавится даже при напряжении, близком к рабочему, например, 120 В.

Этот пример не является экстремальным из-за высокого напряжения (это только 24-кратное рабочее напряжение вместо 40-кратного). Это экстремально, потому что газоразрядные лампы очень плохо саморегулируются.

Почти то же самое со светодиодом

Забудьте обо всей этой сложной математике (подмигните Джонку), приведенный выше пример является ее сутью. Резистор имеет такой большой импеданс, что даже значительный дрейф характеристик светодиода (от биннинга, температуры, возраста) вряд ли изменит математику (если ее вообще можно назвать математикой).

Это работает, потому что входное напряжение настолько кратно рабочему напряжению светодиода, что резистор выполняет всю работу. Если бы мы работали намного ближе (светодиод 3 В при питании 12 В или даже 5 В), тогда нам нужен острый карандаш и детально проработать его, как обсуждают Джонк и Транзистор.

Конечно, сжигать всю эту энергию в резисторе — пустая трата времени. Но запуск лампы накаливания не считается расточительством, и они линейны . Я иногда задавался вопросом об использовании лампы накаливания в качестве (эффективного) балласта для светодиода или газоразрядной лампы. Они дополняли бы друг друга, сильные стороны одного помогали бы недостаткам другого.

---

* Незажженные лампы накаливания имеют очень низкое сопротивление (почти короткое замыкание), их сопротивление резко возрастает, когда они начинают светиться, устанавливаясь на относительно постоянном сопротивлении во всем рабочем диапазоне. Если вы прикладываете к ним постоянное напряжение , они сначала пускают ток, это называется пусковым током . Это сводит электриков с ума: вы получаете это красивое управляющее реле на 20 А, а мелким шрифтом написано «5А вольфрам» из-за пускового тока. Арх! С другой стороны, если вы водили лампы накаливания постоянного тока, они бы действительно вели себя очень хорошо: снятие шока от стартовой мощности значительно продлило бы их жизнь. И их было бы легче обеспечить, вы могли бы получить 20А от этого реле. К сожалению, «вольфрамовый рейтинг» никуда не делся, он также относится к электронным балластам для газоразрядного освещения и драйверам светодиодов ... их запуск также вызывает пусковой ток (зарядные конденсаторы и т. д.). Вы не думаете, что будет так сложно переключить включить свет...

Поздравляем. Вы только что обнаружили "полосу запрещенной зоны". Это диапазон энергий, в котором не существует электронного состояния. Это напряжение — необходимый потенциал, чтобы сбивать электроны с их орбит в массовом масштабе, чтобы они могли скользить по полупроводнику, а также оставлять после себя дыры, что еще больше позволяет скользить большему количеству электронов.

В кремниевых технологиях NP эта ширина запрещенной зоны составляет около 0,7 В. В светодиодах эта ширина запрещенной зоны настраивается таким образом, что напряжение, при котором фотоэлектрический эффект находится на определенном напряжении и, следовательно, на конкретной квантованной энергии для фотонов и, следовательно, на длине волны и, следовательно, на цвете. Ток контролирует, насколько это происходит, и, следовательно, яркость светодиода.

Вот только с физикой я разбираюсь в этих вещах, так как сам не физик.

Проблема методов расчета в электротехнике заключается в том, что они не допускают наличия кусочных функций в неаппроксимирующих математических моделях цепей. Они думают, что это так только тогда, когда мы делаем приближения, и полностью отсутствует при комплексном анализе. Это верно при работе с пассивными схемами, где все линейно (подчиняется линейным преобразованиям). Даже то, что кажется комбинаторным изменением тока или напряжения, просто разрешается с помощью соглашений о знаках (это не то, куда ток идет влево или вправо, а идет ли он или выходит из одного вывода компонента).

Но все обстоит иначе, когда дело доходит до «активных» цепей. Кусочные функции там действительно существуют, независимо от того, используете ли вы приближения или очень точные сложные функции. У вас может быть 2 активных устройства, соединенных последовательно, уравнения которых говорят, что через них будет проходить разный ток, и что бы вы ни делали, вы просто не можете заставить их согласоваться или «сойтись» на одном токе. Вы должны выбрать один. Это минимум. Те симуляции SPICE, которым вы так доверяете? Они уже ДЕЙСТВИТЕЛЬНО используют кусочные функции, иначе большинство ваших симуляций цифровых схем никогда не сойдутся и не закончатся.

Из-за этого ваша схема выше будет иметь ток:

$$I_T = I_s(e^(\frac{V_T - I_T R}{n V_t} - 1))$$ Здесь диод управляет током, и да, диоды являются активными компонентами, так как они нарушают однозначные линейные уравнения.

Итак, у нас просто есть:

$$I_T = I_s(e^(\frac{V_T - I_T R}{n V_t} - 1)$$ $$I_T R = V_T - n*V_T*ln(\frac{I_T}{I_S} + 1)$$ $$I_T = \frac{V_T - n*V_T*ln(\frac{I_T}{I_S} + 1)}{R}$$ $$I_T = \frac{V_T - V_D}{R}$$

Единственная проблема, почему это не точно, заключается в том, что мы используем довольно постоянное значение V_D, равное 0,7 В, вместо того, чтобы всегда использовать$n*V_T*ln(\frac{I_T}{I_S} + 1)$. С другой стороны, уравнение Шокли ТАКЖЕ является приближением, но вы можете использовать более сложные уравнения.

---

ТАКЖЕ, не покупайте у Lees's Electronics, они могут по ошибке дать вам детали, отложенные для меня, и вы можете получить неисправные компоненты.

Я бы не стал этого делать в серийной модели. Светодиоды не рассчитаны на обратное напряжение 120 В переменного тока (пиковое значение 170 В). Единственное, что поддерживает нормальное обратное напряжение на LED1, это тот факт, что LED2 работает и поддерживает напряжение на уровне 3В. Если у LED2 есть проблема, внезапно LED1 смотрит на пиковый обратный ток 170 В, бум.

Включите каждый светодиод в ряд с диодом, рассчитанным на пиковый обратный ток 170 В.

Тем не менее, я планирую сделать именно это с 75 В постоянного тока, что даже более дерзко, чем 120 В переменного тока, но обратный ток в этом случае не является проблемой.