¿Por qué necesitamos resistencias en led?

He investigado y dice que las resistencias limitan la corriente que fluye a través del LED.

Pero esta afirmación me confunde porque sabemos que en un circuito en serie, la corriente es constante en cada punto, entonces, ¿cómo es que una resistencia puede limitar el flujo de corriente?

Los LED tienen un voltaje bastante constante a través de ellos, como 2.2V para un LED rojo, que solo aumenta ligeramente con la corriente. Si suministra 3V a este LED sin resistencia en serie, el LED intentará establecer una combinación de voltaje / corriente para este 3V. No hay corriente que vaya con este tipo de voltaje, en teoría serían 10 s, tal vez 100 s de amperios, lo que destruiría el LED. Y eso es exactamente lo que sucede si su fuente de alimentación puede suministrar suficiente corriente.
Entonces la solución es una resistencia en serie. Si su LED necesita 20 mA, puede calcular el LED rojo en el ejemplo

$R = \dfrac{\Delta V}{I} = \dfrac{3V - 2.2V}{20mA} = 40 \Omega$

Puede pensar que suministrar 2.2V directamente también funcionará, pero eso no es cierto. La más mínima diferencia en el LED o el voltaje de alimentación puede hacer que el LED se ilumine muy tenue, muy brillante o incluso destruya. Una resistencia en serie asegurará que pequeñas diferencias en el voltaje tengan solo un efecto menor en la corriente del LED, siempre que la caída de voltaje a través de la resistencia sea lo suficientemente grande.

El punto es que un LED es un diodo de todos modos y los diodos tienen una resistencia interna muy pequeña (en dirección "hacia adelante", por lo tanto), a menos que haya algo más en serie, la resistencia general es muy baja y la corriente es apenas limitada y esta corriente apenas limitada puede dañar el LED y sobrecargar el circuito que lo alimenta.

Entonces, sí, tiene toda la razón de que la corriente es la misma en cada punto del circuito cuando los elementos están conectados en serie, pero cuando agrega una resistencia, aumenta la resistencia general de la serie y esto disminuye la corriente.

Siempre con las respuestas complicadas ;-). Míralo de esta manera. ¿Qué sucede cuando pones un cable a través de los terminales de una batería? En un mundo perfecto, obtienes una corriente infinita que derrite el cable. Llamamos a esto una curcuit corta. Debido a que los diodos están diseñados para tener una resistencia directa mínima, obtenemos el mismo efecto que un corto. Coloque una resistencia allí para proporcionar algo que resista contra la corriente para limitarla desde el infinito

Imagina eso

• Tenías un motor accionado por agua cuya velocidad era proporcional al flujo de corriente.

• El motor en sí ofrecía muy poca resistencia al flujo de corriente: había que controlar el flujo de corriente externo a una bomba.

• Tiene una bomba capaz de bombear 10 litros por segundo a través de una tubería de 10 metros hacia el motor, luego a través del motor y luego a través de otra tubería de 10 metros hasta el lado de succión de la bomba. (El caudal se relacionó con la presión que hizo la bomba y la resistencia de la tubería, es decir, NO una bomba de desplazamiento positivo.

• Cuando se utilizó la bomba, descubrió que el motor funcionaba MUCHO demasiado rápido y que necesitaba limitar el flujo a aproximadamente 1 litro / segundo.

Para cumplir con el requisito, puede colocar una válvula reductora en el circuito para bajar la mayor parte de la presión y limitar el flujo. La válvula trabajó para dejar caer una cierta cantidad de presión a través de ella a una velocidad de flujo dada y como ajustable. (Esto se trata de cuántas válvulas de agua rel funcionan).

Puede colocar la válvula en CUALQUIER LUGAR del circuito y obtendría el resultado deseado. Podría estar en la entrada o salida de la bomba o en la salida o entrada del motor o en cualquier lugar de cualquiera de las tuberías.

Esta es una analogía cercana a su pregunta LED. La corriente necesita ser limitada ya que es demasiado alta sin un limitador. El limitador puede colocarse en cualquier parte del circuito.

Con la batería - circuito LED de resistencia

El LED tiene una cierta caída de voltaje definida en una corriente elegida.
Para ser específicos, digamos que a 20 mA el LED cae exactamente 3.00 voltios. Esto es típico de algunos LED modernos.
Si deseamos ejecutar el LED a 20 mA, DEBEMOS hacer arreglos para que baje 3 V, ni más ni menos.
Si deseamos utilizar un suministro de 9V para operar el LED, N = DEBEMOS "deshacernos" de 9-3 = 6B de alguna manera.
La resistencia hace esto.
Para dejar caer 6V a 20 mA, la resistencia necesaria es R = V / I = 6 / 0.02 = 300 ohmios.
En este ejemplo, una batería de 9 V + una resistencia + un LED funcionarán a 20 mA. La resistencia se puede colocar antes o después del LED. La corriente se deja caer en cualquier lugar.

No es relevante para esta pregunta, pero es extremadamente importante saber que su declaración

• "Sabemos que el circuito de la serie, la corriente es constante en todos los puntos".

Es incorrecto.

Hay muchos circuitos donde esto es rue, pero también muchos circuitos donde no es cierto.
En los circuitos de CC con solo componentes resistivos, como este 1 LED, 1 circuito de resistencia, entonces es cierto. PERO cuando hay componentes reactivos presentes como inductores y condensadores o ciertos otros elementos no lineales, a menudo NO es cierto.

Centrémonos en lo que es importante aquí: la curva característica del LED (que es un diodo). Mire esta imagen de wikipedia. Como puede ver, para voltajes positivos a través del diodo, su corriente aumenta exponencialmente. Imagine que ahora conecta su LED a una fuente de alimentación sin resistencia. Tendría que establecer el voltaje exacto a través del diodo para obtener la corriente exacta que necesita para encender el LED. Si por alguna razón su fuente de alimentación aumenta un poco por encima del voltaje que necesita, entonces la corriente será exponencialmente más alta que antes, lo que puede (¡lo hará!) Dañar su diodo. Entonces, ¿cómo puede una resistencia ayudarnos con este problema? ¡REALIMENTACIÓN!¡Uno de los conceptos más importantes en electrónica! Volvamos a nuestro ejemplo y agreguemos una resistencia en serie con el diodo y la fuente de alimentación. Ahora, cada vez que su fuente de alimentación exceda su voltaje nominal, el diodo aumentará su corriente de manera exponencial nuevamente, pero debido a que la corriente aumentó, el voltaje a través de la resistencia también será mayor, lo que significa que el voltaje a través del diodo disminuirá, compensando la fuente de alimentación. aumento de voltaje

Un LED es un diodo hecho de un material semiconductor que genera fotones de luz cuando la corriente fluye a través del material. Cuanto más corriente atraviese el LED, más luz emitirá el LED, más brillante será. Sin embargo, hay un límite superior que es la cantidad de corriente suficiente para dañar el LED.

Un LED ofrece poca resistencia a la corriente que lo atraviesa. La mayor parte de la poca resistencia que ofrece proviene de la energía perdida de la luz emitida y la generación de fotones es tan eficiente que la resistencia es bastante insignificante. Sin embargo, a medida que aumenta la corriente, aumentando la cantidad de luz, el LED fallará en algún momento porque la cantidad de corriente que pasa a través del LED causa fallas en el material. Con cantidades suficientemente grandes de corriente, la vaporización catastrófica del material puede resultar en una pequeña explosión dentro de la envoltura exterior del LED. Con los niveles de corriente más bajos encontrados en circuitos digitales de 3.3v o 5v, el resultado más probable es que el material semiconductor falla y deja de conducir y el LED ya no se ilumina.

¿Cómo afecta el voltaje del circuito al consumo de corriente de un LED? Dado que un LED es un tipo de diodo, la ecuación del diodo de Shockley describe la corriente que un diodo permite a varios niveles de voltaje. La ecuación muestra que los resultados de la función Shockley para un rango de voltaje dado siguen una curva exponencial. Esto significa que pequeños cambios en el voltaje pueden hacer grandes cambios en la corriente. Por lo tanto, el uso de un LED en un circuito simple cuyo voltaje es más alto que el voltaje directo del LED corre el riesgo de que el LED consuma sorprendentemente más corriente que sus niveles recomendados, lo que resulta en una falla del LED.

Ver Wikipedia Circuito LED tema , así como ecuación del diodo Shockley Wikipedia tema .

Entonces, la idea es diseñar el circuito de LED para limitar la cantidad de corriente que fluye a través del LED. Queremos equilibrar tener suficiente corriente para causar el nivel de brillo deseado sin tener tanto que el material del LED falle. El método más común para limitar la corriente es agregar una resistencia al circuito.

Un LED debe tener una hoja de datos que describa las características y tolerancias eléctricas del LED. Por ejemplo, consulte esta hoja de datos Modelo No .: YSL-R531R3D-D2 .

Las primeras características que nos interesan son (1) cuál es la corriente máxima que puede soportar el LED antes de que sea posible una falla del material que resulte en una falla del LED y (2) cuál es el rango de corriente recomendado. Estas y otras clasificaciones máximas para un LED rojo estándar típico (diferentes LED tendrán diferentes valores) se encuentran en una tabla como se duplica a continuación.

En la tabla de la hoja de datos para este LED rojo estándar, vemos que la corriente máxima es de 20 mA con un rango recomendado de 16 mA a 18 mA. Este rango recomendado es la corriente para que el LED esté más brillante sin arriesgarse a fallas en el material. También vemos que la disipación de potencia nominal es de 105 mW. Queremos asegurarnos de que en nuestro diseño de circuito LED nos mantengamos dentro de estos rangos recomendados.

Mirando en la siguiente tabla, encontramos un valor de Voltaje directo para el LED de 2.2v. El valor de Voltaje directo es la caída de voltaje cuando la corriente fluye a través del LED en dirección directa, desde el ánodo al cátodo. Consulte ¿Qué es el voltaje “directo” y “inverso” cuando se trabaja con diodos? .

Si tuviéramos que usar este LED en un circuito con 2.2v y una corriente de 20mA, entonces el LED se disipará 44mW, que está dentro de nuestra zona de seguridad de disipación de energía. Si la corriente cambia de 20 mA a 100 mA, la disipación será 5 veces mayor o 220 mW, que está muy por encima de la disipación de potencia nominal de 105 mW para el LED, por lo que podríamos esperar que el LED falle. Vea ¿Qué le sucede a mi LED cuando suministra demasiada corriente? .

Para reducir la corriente a través del LED a los niveles recomendados, introduciremos una resistencia en el circuito. ¿Qué valor de resistencia debemos usar?

Calculamos un valor de resistencia utilizando la ley de Ohm, V = I x R. Sin embargo, haremos una transformación algebraica porque queremos resolver la resistencia en lugar del voltaje, por lo que en su lugar usamos la fórmula R = V / I.

El valor de I, corriente en amperios, es bastante obvio, simplemente usemos el mínimo recomendado de 16 mA o 0,016 A de la hoja de datos del LED en la fórmula transformada. Pero, ¿qué valor debemos usar para voltios, V?

Necesitamos usar la caída de voltaje de la resistencia, que es la contribución que hace la resistencia a la caída de voltaje total de todo el circuito. Por lo tanto, tendremos que restar la contribución de caída de voltaje del LED del voltaje total del circuito para determinar la contribución de caída de voltaje necesaria de la resistencia. La caída de voltaje de un LED es el valor de voltaje directo, la caída de voltaje en una dirección directa desde el ánodo al cátodo, de la tabla anterior.

Para un proyecto estándar de Raspberry Pi que usa el riel de 3.3v como fuente de energía, el cálculo sería (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

Entonces, ¿por qué se usa comúnmente un valor de resistencia como 200 ohmios cuando los cálculos indican 69 ohmios?

La respuesta fácil es que una resistencia de 200 ohmios es una resistencia común incluida en muchos kits de experimentos. Queremos usar una resistencia común si la luz emitida por el LED no disminuirá notablemente.

Entonces, si cambiamos de una resistencia de 69 ohmios a una resistencia de 200 ohmios, ¿cuál es el cambio en la corriente? Nuevamente, usamos la ley de Ohm esta vez para resolver la corriente en el circuito, I = V / Ro 3.3v / 200 ohms = .0165Acuando miramos la hoja de datos del LED, vemos que este valor está en el rango recomendado de 16 mA a 18 mA, por lo que el LED debe ser lo suficientemente brillante.

Simplemente, el led tiene una resistencia baja, si está conectado solo a una batería, la corriente que fluye a través de él será muy alta (I = V / R), la corriente alta significa más potencia disipada en la resistencia del led pequeño, lo que conduce a quemar el diodo (térmicamente), porque el material tiene una transferencia de calor muy baja constante.

Tenga en cuenta que la potencia disipada = (I ^ 2 × R).