¿Qué sucede si un LED está conectado a un voltaje de suministro mayor que su caída de voltaje?

Mi comprensión de la resistencia y el voltaje es horrible. Escuché que con la ley de Kirchhoff, (en mis palabras, corrija) el voltaje utilizado por el circuito debe ser igual al voltaje suministrado. Por ejemplo, si tuviera una batería de 9 V, debo usarla.

Digamos que tengo un LED con un voltaje típico de polarización directa de 3.1 V, lo que significa que pierde 3.1 V mientras genera luz. ¿Se apagará el LED si se usan 9 V?

Es muy probable que sea cierto, pero un buen ejemplo realmente hará que mi comprensión sea más intuitiva.

Esta es una de esas situaciones en las que su problema no es qué tan bueno es en el análisis o qué conocimiento base podría tener, sino simplemente que no tiene idea de lo que no sabe. Esto siempre hace que el primer paso hacia la electrónica sea muy alto.

En el caso de su ejemplo, ¿qué no sabe sobre una batería?

1. El voltaje terminal de una batería ideal nunca cambiaría (al menos hasta que se use toda la capacidad de almacenamiento de energía). Por lo tanto, debe haber factores que afecten el voltaje terminal y su capacidad de energía útil. Una lista rápida es química, volumen de materiales, temperatura y diseño de ánodo / cátodo.
2. Una batería práctica tiene una capacidad limitada y muchos de los otros factores que influyen en el voltaje del terminal y la capacidad de corriente potencial pueden integrarse en un elemento modelo llamado 'Resistencia interna'. En el modelo para la mayoría de las baterías más grandes, serán fracciones de un ohm. Sin embargo, la batería también tiene otros elementos como la capacitancia y la inductancia para hacer que la situación sea más compleja. Puede comenzar leyendo sobre modelos de baterías con textos como este .

Un gran ejemplo de una batería más grande con una resistencia interna muy pequeña es una batería de automóvil de 12 V. Aquí, cuando enciende el automóvil, se requieren cientos de amperios (kW de potencia y corriente en el rango de 600 A) para encender el motor y el voltaje del terminal puede caer de 13.8 V (una batería de plomo-ácido del automóvil completamente cargada) a solo 10 V al arrancar. Entonces, la resistencia interna podría ser (usando la Ley de Ohmios) de solo 6 miliohmios más o menos.
Puede escalar el pensamiento para este ejemplo a baterías más pequeñas como las baterías AA, AAA y C y al menos comenzar a comprender la complejidad de una batería.

Ahora, ¿qué no sabes sobre un LED?

1. La complejidad del modelo eléctrico para un diodo (ya sea solo un rectificador o un LED) es inmensa. Pero podríamos simplificarlo aquí y decir que, en su forma más simple, puede representar un diodo por su voltaje Bandgap con una resistencia en serie. Puede comenzar aquí comenzando a aprender sobre los muchos paquetes de SPICE y esta discusión sobre StackExchange podría ser un buen punto de partida.
2. Todos los dispositivos semiconductores tienen una limitación práctica en la cantidad de energía que pueden disipar. Esto está relacionado principalmente con el tamaño físico del dispositivo. Cuanto más grande es el dispositivo, más potencia puede disipar.

Ahora puedes considerar tu LED. Debería comenzar tratando de comprender la hoja de datos del dispositivo. Si bien muchas de las características que no comprenderá, ya conoce una (de su pregunta), el voltaje directo (Vf) y probablemente pueda encontrar el límite de corriente y la disipación de potencia máxima en la hoja de datos.
Armado con esos, podría descubrir la resistencia en serie que necesita para limitar la corriente para que no exceda el límite de disipación de energía del LED.

La Ley de Voltaje de Kirchhoff le da una gran pista de que dado que el voltaje a través del LED es de aproximadamente 3.1 V (y la curva de corriente de la hoja de datos le dice que nunca podría aplicar 9 V), debe necesitar otro componente de modelo agrupado en el circuito.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Nota: la impedancia interna de la batería que se muestra arriba se especifica simplemente para facilitar el cálculo. Dependiendo del tipo de batería (primaria o recargable), la resistencia interna puede variar. Revise la hoja de datos de su batería.

¿Podría el elemento desconocido anterior simplemente ser un trozo de cable (sin elemento)?
Podría ... pero podemos calcular los resultados fácilmente.
Con dos elementos de voltaje ideales (9 V y 3.1 V) las resistencias deben tener 5.9 V a través de ellos (bucle de voltaje de Kirchhoff). Por lo tanto, el flujo de corriente debe ser 5.9 / 10.1 = 584 mA.
La potencia disipada en el LED es (3.1 * 0.584) + (0.584 ^ 2 * 10) = 5.2 vatios. Dado que su LED probablemente tenga una potencia de solo 300 mW más o menos, puede ver que se calentará drásticamente y, con toda probabilidad, fallará en segundos.

Ahora, si el elemento desconocido es una resistencia simple, y queremos que la corriente a través del LED sea de 20 mA, tenemos suficiente para calcular el valor.

El voltaje terminal de la batería sería (9 - (0.02 * 0.1)) = 8.998 V El voltaje terminal del LED sería (3.1 + (0.02 * 10)) = 3.3 V

Entonces, el voltaje a través de la resistencia desconocida es 5.698 y la corriente a través de él es de 20 mA. Entonces la resistencia es 5.698 / 0.02 = 284.9 Ohms.

En estas condiciones, los voltajes de bucle se equilibran y el LED pasa su valor de diseño de 20 mA. Por lo tanto, su disipación de potencia es ((3.3 * 0.02) + (0.02 ^ 2 * 10)) = 70 mW ... con suerte dentro de la capacidad de un pequeño LED.

Espero que esto ayude.

Sí, es probable que el LED esté dañado. Esa es la historia corta.

En realidad, el voltaje de la batería caerá un poco porque generará mucha corriente (las baterías tienen una resistencia interna que varía con el estado de carga, el historial de descargas, la temperatura y otros factores, tal vez unos pocos ohmios para una batería nueva de 9 V), y el voltaje del LED aumentará (los LED aumentan el voltaje con la corriente de manera no lineal) hasta que los dos se encuentren exactamente (si ignora un poco de caída en los cables).

Entonces, digamos que el voltaje de la batería cae a 5V y la batería está suministrando 1.5A. Eso significa que el voltaje directo del LED es de 5V y se está disipando 5V * 1.5A = 7.5W, lo que significa que se quemará muy rápidamente, suponiendo que sea un pequeño LED indicador de 3 mm o 5 mm.

Si su LED de 3.1V era un montón de dados de LED en paralelo y era capaz de manejar de manera segura (digamos) 2A, por otro lado, el voltaje de la batería caería a algo así como 3.1V (debido a la resistencia interna de la batería, igual que el anterior) y el LED se iluminaría con aproximadamente 6 W de potencia de entrada. Por supuesto, la batería se agotaría rápidamente (en el mejor de los casos, o podría calentarse mucho y posiblemente explotar violentamente. Algunos tipos, como las baterías de NiCd o ciertas baterías de litio sin protección, pueden ser más peligrosas que otras.

Esto es lo que sucede: primero, conecté un LED verde correctamente a 9 V usando una resistencia de 1 kΩ para atrapar el voltaje residual.

Entonces sin.

Asombrosamente, luego, nuevamente con una resistencia, el LED aún funciona, pero notablemente más tenue.

No intentes esto en casa niños ... excepto, diablos, por qué no ... ¡ es ciencia !

Por qué se enciende brevemente amarillo / rojo antes de "brillar", no lo sé. Probablemente el resultado sea diferente para cada tipo de LED.

En la práctica, hay algunos resistores "ocultos" o parásitos en su ejemplo hipotético que desconoce. Para empezar, la batería tiene una resistencia en serie interna. El LED también tiene una resistencia al igual que todo el cableado en su circuito. El voltaje cae en todas estas resistencias más la caída de voltaje intrínseca del LED se sumará al voltaje de la batería.

La única pregunta es: ¿a qué corriente sucede esto? Si es lo suficientemente alto, su LED se cocinará y se quemará. La resistencia adicional en forma de una resistencia real en serie con el LED evitará este problema. Determinar el valor de esa resistencia es una oportunidad para aplicar la ley de Ohm.

Este diagrama, con voltios en Xaxis y corriente en Yaxis, se utiliza para "resolver" gráficamente la ecuación para divisores de voltaje de 2 componentes en serie. Se puede usar para divisor de resistencia pura, o como aquí con diodo y resistencia.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Ponga un segundo componente en serie, para compartir el voltaje. Por ejemplo, desea que el LED funcione de manera segura con sus 3,1 voltios y que tenga un RESISTOR para usar los [9 - 3,1] innecesarios = 5,9 voltios. A 10 mA (que puede ver como 100 ohmios por voltio), necesita 100 ohmios / voltio * 5.9 voltios = 590 ohmios. Los valores comunes son 560 ohmios y 620 ohmios.

Necesita un circuito en serie aquí: la fuente a 9 voltios, y luego DOS componentes para compartir el voltaje de la batería.

Ahora usemos el mismo gráfico IV como un nomograma para resolver divisores de voltaje resistivos.

^{simular este circuito}

La respuesta a su pregunta sobre el título es: el LED se iluminará.

La condición es que su corriente esté dentro de los límites mínimos y máximos del LED en cuestión.

Una corriente baja hará que se queme tenuemente, y la corriente nominal hará que se queme brillantemente. Demasiada corriente apagará el LED.

Limita la corriente a su valor deseado (a menudo de 15 a 20 mA) colocando la resistencia correcta en el circuito.

Usa la ley de Ohm para resolver eso. R (ohmios) = V (voltios) / I (amperios).

Dentro de límites razonables, el voltaje es bastante irrelevante para un LED, es la corriente que lo ilumina. Por supuesto, debe tener un voltaje suficiente para exceder la caída de voltaje interno del LED en el extremo inferior.

No todos los suministros de 9 V son iguales. Algunos apagarán el LED y otros no. (Depende de la corriente de cortocircuito o la resistencia interna).

9 V - 3.1 V = 5.9 V 'falta'. Esto se cae dentro del suministro de 9 V, el cable y dentro del LED. (Estas son las resistencias que causan la pérdida de voltaje o la caída de voltaje).

Es muy difícil soplar cualquier cosa sin calor (excepto por estática en MOS). El calor tarda en acumularse (y liberar el humo. :-)

El calor que destruye el LED se debe al voltaje de 3.1 V, la resistencia interna del LED, la corriente (V / R) y el tiempo. Parte del calor (antes de que ocurra el humo) se pierde en el medio ambiente. Es por eso que los disipadores de calor se usan en algunos circuitos para evitar el humo.

En primera aproximación, descuidando las resistencias internas, los LED tienen características de avance de I / V exponenciales. En realidad, esas son las características de la unión polarizada hacia adelante: los dispositivos reales tienen una resistencia interna en serie, típicamente algunos ohmios.

La caída de voltaje "nominal" del LED es solo un punto en las características, por lo general, el voltaje que corresponde a 20 mA, o una corriente directa nominal determinada.

Cuando coloca el LED en los polos de la batería, crea un circuito en serie que incluye una fuente de voltaje "ideal" de 9 V, el LED y la resistencia interna de la batería (por ejemplo, 2 Ohm)

El punto de trabajo de su LED es la intersección de sus características de avance con una línea de carga determinada por el voltaje de la fuente (9V) y la resistencia interna de la batería. La caída de voltaje en su LED será mucho mayor que la nominal de 3.1 V.

A menos que su LED sea un dispositivo de alta corriente, la corriente excederá el valor nominal y el LED sufrirá o explotará.

Los LED (y los diodos en general) son un poco extraños. Como primera aproximación por debajo del umbral de voltaje, no puede fluir corriente, sobre él no hay restricción en el flujo de corriente.

Piense en ello como una presa, cuando el agua está debajo de la presa se bloquea por completo. Una vez que el nivel del agua está sobre la parte superior de la presa, su flujo no tiene restricciones, sin embargo, aún se pierde la cantidad contenida detrás de la presa.

Entonces, con un LED con un umbral de 3.1V si aplica 9V, todavía tiene 5.9V para usar. Esto será utilizado por las resistencias en el circuito como se describe por la ley de Ohm, V = I * R. Si no ha agregado resistencias, entonces R es la resistencia interna de las baterías y la resistencia de sus cables. Estas resistencias internas son normalmente lo suficientemente pequeñas como para que pueda ignorarlas, pero en este caso son todo lo que tiene. Pequeñas resistencias y un voltaje fijo significa que la corriente será muy alta. El LED tendrá una corriente máxima que puede sobrevivir, alrededor de 20 mA para LED típicos. Si superas esto, se sobrecalentarán y se destruirán a sí mismos.

Como dije al principio, esto es solo una aproximación de un LED, en la práctica, la caída de voltaje aumenta con la corriente. Sin embargo, ese aumento no es enorme, generalmente si se encuentra en una situación en la que necesita tenerlo en cuenta, entonces está haciendo algo muy sensible, algo de alta potencia o está corriendo demasiado cerca de los límites de los componentes para comenzar. El aumento ciertamente no es suficiente para impactar el resultado final en este escenario.

Todo tiene resistencia. ¡Período!

• Eso incluye baterías (ESR), diodos (Rs), inductores (DCR) Caps. (ESR) e incluso resistencias (R);)
  • El "bucle de voltaje de Kirchhoff (KVL)" enseña cómo usar ese "voltaje sobrante"
    • Esto es después de que todos los voltajes de alimentación se suman o restan
    • con la suma de todas las partes en serie, cada una de las cuales tiene resistencia
  • por lo tanto, KVL le enseña cómo calcular la corriente resultante o la tasa de flujo de las cargas en unidades de amperios o "amperios" = 1000 miliamperios (mA)

• así, esta "V sobrante" está en la suma de todas las partes R en un bucle.

  • Cuando es un buen cable conductor, generalmente (pero no siempre) ignoramos la resistencia y la caída de voltaje.

• entonces I = V / R de cada parte después del voltaje sobrante y la suma de la resistencia del bucle expresada como una relación.

• las partes que pueden manejar MUCHA potencia deben tener una R baja (excepto en la teoría de la escuela primaria, decimos que las baterías ideales tienen R = 0)

• La similitud de todos los diodos tiene una resistencia más baja por encima del umbral de voltaje, Vt, si está clasificado para más potencia, al voltaje directo nominal Vf

Los LED de 3V tienen un umbral de alrededor de 2.8V y luego pueden ser de 3.1V +/- 10% dependiendo de la amplia tolerancia y, por supuesto, la potencia

 - 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

Por lo tanto, con un LED blanco de 1 W y una batería alcalina de 9 V, ¿cuál es el voltaje "restante" y la corriente resultante?

• ¿Cómo eliges R para limitar esa corriente?
• ¿Cómo elegir la potencia nominal y el aumento de temperatura?

(9V-2.8V) / (6x1 + (0.5 a 1) + R) = 0.3A = 300 mA

resolver para R

Sugerencia si R = 0, el LED se vuelve demasiado brillante y demasiado caliente para sobrevivir

Las tapas tienen ESR pero como aislantes = dieléctricos, bloquean DC pero conducen AC.