учет сопротивления светодиода

Светодиоды не лучше всего моделировать как чистый резистор. Как отмечалось в некоторых других ответах, настоящие светодиоды имеют сопротивление, но часто это не главная проблема при моделировании диода. График соотношения тока и напряжения светодиода:

Сейчас это поведение довольно сложно рассчитать вручную (особенно для сложных схем), но есть хорошее «приближение», которое разбивает диод на 3 дискретных режима работы:

• Если напряжение на диоде больше, чем Vd, диод ведет себя как постоянное падение напряжения (т. е. он пропускает любой ток, чтобы поддерживать V = Vd).

• Если напряжение меньше, Vdно больше напряжения пробоя Vbr, диод не проводит.

• Если обратное напряжение смещения выше напряжения пробоя Vbr, диод снова становится проводящим и пропускает любой ток через него V = Vbr.

Итак, давайте предположим, что у нас есть некоторая схема:

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

Во-первых, мы собираемся предположить, что VS > Vd. Это означает, что напряжение Rна VR = VS - Vd.

Используя закон Ома, мы можем сказать, что ток, протекающий через R (и, следовательно, через D), равен:

Давайте подставим несколько чисел. Скажем , VS = 5VR= (типичный красный светодиод).2.2kVd=2V

Хорошо, а если VS = 1V, R = 2.2kи Vd = 2V?

На этот раз , VS < Vdи диод не проводит. Ток не течет через R, так что VR = 0V. Это означает VD = VS = 1V(здесь VD— фактическое напряжение на D, где Vd— падение напряжения насыщения диода).

Вопреки некоторым другим ответам, светодиоды имеют сопротивление. Он небольшой, но не незначительный. Одного только сопротивления недостаточно, чтобы охарактеризовать их поведение, но сказать, что светодиоды не имеют сопротивления , лишь иногда будет допустимым упрощением .

См., например, этот график из таблицы данных для LTL-307EE , который я выбрал без всякой причины, кроме того, что это диод по умолчанию в CircuitLab, и довольно типичный светодиодный индикатор:

Видите, линия практически прямая, а не вертикальная выше 5 мА? Это связано с внутренним сопротивлением светодиода. Это сумма сопротивлений выводов, соединительных проводов и кремния.

Светодиод без сопротивления имеет экспоненциальную зависимость между током$I$и напряжение$V_D$, согласно уравнению диода Шокли :

Я не буду утомлять вас определениями всех терминов: читайте больше в Википедии, если хотите знать. Просто знайте, что они являются константами для данного светодиода. Посмотрите на$I$и$V_D$условия и посмотреть, как они экспоненциально связаны. Для этого примера я выбрал$V_T=25.85\cdot10^{-3}$,$n=1$, и$i_s = 10^{-33}$.

Рассмотрим зависимость тока от напряжения для резистора, которая определяется законом Ома :

Ясно, что они линейно связаны. Если бы вы построили график этого отношения тока к напряжению для резистора, как это показано в таблице выше для светодиода, вы бы получили прямую линию, проходящую через$0V, 0A$, а наклон этой линии есть сопротивление$R$.

Вот такой график с резистором, «идеальным» диодом по уравнению диода Шокли и без сопротивления, и более реалистичной моделью светодиода, включающей некоторое сопротивление:

Вы можете видеть, что для значений тока > 5 мА идеальный диод выглядит как вертикальная линия. На самом деле он просто очень крутой, но в таком масштабе выглядит вертикальным. Но настоящие светодиоды этого не делают, даже близко. Если вы посмотрите на наклон линии в таблице выше, она выглядит как прямая линия от (1,8 В, 5 мА) до (2,4 В, 50 мА). Наклон этой линии равен:

Таким образом, внутреннее сопротивление светодиода равно 13 Ом.

Конечно, вы также должны включить в свои расчеты прямое падение напряжения светодиода, которое отвечает за сдвиг вправо между резистором и реальными линиями светодиода. Но другие уже проделали хорошую работу по объяснению этого.

В конце концов, вам нужно смоделировать только те аспекты светодиода, которые важны для вашего приложения. 13 Ом сопротивления не имеет значения, если вы собираетесь добавить еще 1000 Ом. Колено на кривой ток-напряжение не имеет значения, если светодиод будет только гореть или выключаться . Но в интересах понимания того, какие упрощающие предположения вы делаете, и когда эти упрощающие предположения больше не действуют, я хотел объяснить: у светодиода есть сопротивление.

Диоды, как правило, не имеют сопротивления (кроме небольшого количества проводников внутри корпуса), однако имеют падение напряжения на них, величина которого зависит от полупроводникового материала, использованного в их конструкции. Для обычных светодиодов это падение напряжения составляет ~ 1,5 В. Падение напряжения связано с шириной запрещенной зоны в полупроводнике (разницей энергий между наивысшим связанным электронным состоянием и «зоной проводимости»). Это падение напряжения немного зависит от температуры и тока, но незначительно для простого светодиодного приложения.

Чтобы проиллюстрировать, вот кривая IV для типичного диода, обратите внимание, что ток асимптотически увеличивается после достижения определенного порогового напряжения. Обратите внимание, что в отличие от резистора кривая ВАХ очень нелинейна.

Если вы подключите диод напрямую к вашей батарее без резистора, ток в диоде определяется только (очень маленьким) сопротивлением в проводке и внутренним сопротивлением батареи, таким образом, ток в диоде будет огромным, и это (скорее всего) сгорит, потому что диод сам по себе не оказывает сопротивления, но проводит ток.

Чтобы ответить на ваш вопрос, чтобы рассчитать ток, протекающий через диод, вам нужно определить напряжение питания, вычесть падение напряжения на диоде и использовать это новое более низкое напряжение для расчета тока с помощью ограничительного резистора.

Светодиод имеет встроенное падение напряжения (из-за природы светодиода). Вы можете посмотреть спецификацию светодиода, который вы купили, чтобы определить падение. Цвет светодиода обычно влияет на падение напряжения на нем.

Для более подробного объяснения:

https://en.wikipedia.org/wiki/LED_схема

Понятие «сопротивление» имеет несколько связанных значений. Самый простой смысл — просто сказать, что в любой момент времени сопротивление пути между двумя точками определяется как отношение напряжения между этими точками и величины тока, протекающего по этому пути. Причина, по которой такое определение рассматривалось как «закон», заключается в том, что для путей, построенных из многих материалов, особенно тех, которые были известны, когда Георг Ом ввел это определение, отношение напряжения к току будет оставаться примерно постоянным по мере изменения напряжения и тока. отличаться. Таким образом, если кто-то знает, какой ток протекает по пути при некотором напряжении, можно использовать производную величину «сопротивление», чтобы предсказать, какой ток будет течь при других напряжениях или какое напряжение потребуется, чтобы вызвать некоторую другую величину тока. течь.

Для дорожек, состоящих из многих материалов, закон Ома хорошо описывает взаимосвязь между напряжением и током, но для дорожек, сделанных из некоторых других материалов, отношение напряжения к току непостоянно. Однако даже со многими из них, если бы кто-то построил график зависимости напряжения от тока, были бы области графика, где линия достаточно прямая. Когда напряжение и ток должны быть в такой области, может быть полезно смоделировать устройство как идеальный источник напряжения, последовательно соединенный с идеальным резистором. Гипотетический светодиод может вести себя как почти бесконечное сопротивление, когда напряжение на нем находится в диапазоне от +0 до +1,5 (это означает, что ток почти не будет течь), но как резистор на 100 Ом, включенный последовательно с источником тока на 1,7 В, когда напряжение больше 2,0 вольт. Нанесение такого поведения на график даст два непересекающихся отрезка линии с промежутком между ними. Поведение светодиода будет представлять собой некую кривую, соединяющую эти две линии, хотя закон Ома на самом деле не подходит для попытки предсказать, какой будет эта кривая в этой области.