¿Por qué no puedo encender un LED con una batería de 1.5 V?

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El LED que estoy utilizando requiere un voltaje más alto que el que he suministrado y, como resultado, no se ilumina en absoluto.

Esperaría al menos una luz tenue, pero no se genera luz.

¿Por qué este comportamiento de "si no hay el nivel de voltaje requerido no hay luz"? ¿Qué está pasando dentro del LED?

Diego Alves
fuente
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Esperaría al menos una luz tenue ¿Por qué esperarías eso? El proceso que genera los fotones solo comienza por encima de un cierto voltaje / corriente. Entonces, ¿cómo se pueden generar fotones cuando no se cumplen las condiciones requeridas? ¿Entiendes cómo funciona un LED? Si no: investigue. Entonces será obvio lo que se necesita para que el LED produzca luz.
Bimpelrekkie
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@Bimpelrekkie Es razonable suponer que un LED funciona como una bombilla incandescente si nunca ha encontrado algo que le diga lo contrario.
Todd Wilcox
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@ToddWilcox: ¿El siguiente paso después de llegar a ese punto es abrir un libro y leer sobre qué son los LED y cómo funcionan, seguramente? Esa es la gestión 101 de "mi suposición aparentemente es incorrecta".
Lightness compite con Mónica el
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@LightnessRacesinOrbit Ese sería un enfoque razonable para alguien que no es un novato completo en EE. Dado que en este sitio permitimos preguntas de novatos y entusiastas, a veces te encuentras con preguntas como esta, que están claramente publicadas por personas que ni siquiera saben cómo / dónde comenzar con EE. Después de todo, incluso hay algunos fabricantes que comercializan su LED como una "LÁMPARA DE ESTADO SÓLIDO" (ya que eran una especie de bombilla del pasado) en su hoja de datos. La confusión en un novato es comprensible en este caso.
Lorenzo Donati apoya a Mónica el
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@LightnessRacesinOrbit "¿ El siguiente paso después de llegar a ese punto es abrir un libro y leer acerca de qué son los LED y cómo funcionan, sin duda? " Creo que la versión 2017 de ese proceso es llegar a electronics.stackexchange.com y preguntar cómo los LED son diferentes de las bombillas incandescentes. De hecho, he guardado casi todos mis libros, ya que literalmente nunca los uso más. Internet es uno de los nuevos "conceptos básicos del aprendizaje". Este es absolutamente el lugar correcto para tal pregunta.
Todd Wilcox

Respuestas:

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Los LED no funcionan como las bombillas ordinarias (incandescencia).

Principales diferencias (un poco simplificado para principiantes):

  • Tienen una polaridad, por lo tanto, deben alimentarse con CC respetando esa polaridad. Invierta la polaridad y no funcionarán. También puede dañarlos si aplica más de ~ 4V-5V en la dirección inversa (estos son valores seguros; el valor tolerable máximo exacto depende del dispositivo específico).

  • La emisión de luz comienza solo si se alcanza un cierto voltaje (voltaje de umbral), bajo ese voltaje la emisión es insignificante. Por lo tanto, si tiene una batería cuyo voltaje está por debajo del umbral de voltaje del LED, no tiene suerte, a menos que use un circuito más complicado (por ejemplo, un ladrón de Joule o un convertidor DC-DC de refuerzo) para alimentar el LED.

  • Después de alcanzar el voltaje umbral, cualquier aumento muy leve en el voltaje hace que el LED conduzca fuertemente, es decir, absorba una gran corriente . Por lo tanto, necesita una resistencia en serie para limitar esa corriente a un límite seguro. Hay otras preguntas / respuestas en este sitio que explican cómo calcular el valor de la resistencia limitadora.

  • Una vez conducida, la intensidad de la luz emitida es aproximadamente proporcional a la corriente (no al voltaje) que fluye en el diodo (por lo que obtiene un LED más brillante si disminuye el valor de la resistencia limitadora). Esto hasta el límite de corriente máximo del LED. Después de que se haya alcanzado ese límite, ¡el dispositivo se POOF !

También pregunta por qué sucede todo esto, pero la respuesta es bastante compleja, ya que depende de la estructura física del cristal semiconductor dentro del diodo. La explicación física radica en la mecánica cuántica y la física de estado sólido, temas realmente difíciles.

El artículo de Wikipedia sobre LED solo raspa la superficie del funcionamiento interno de los LED y aún es bastante complejo.

Lorenzo Donati apoya a Monica
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Sí. Lo interesante es que hasta que se alcanza el umbral de voltaje, un LED es efectivamente un circuito abierto, sin corriente. Una vez que se pasa, es efectivamente un cortocircuito, lo que significa corriente infinita (suponiendo cables ideales, por supuesto). Es por eso que los circuitos que usan LED siempre tendrán una resistencia en serie con el LED. La resistencia determina la corriente (voltaje / resistencia) y la corriente determina el brillo del LED. En general, use siempre una resistencia con un LED y use la más grande que produzca el brillo que necesita, para minimizar el consumo de energía.
David C.
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No lo llamaría "absorber una gran corriente", absorber sonidos como la corriente se desvanece en el LED, lo que no ocurre, pasa a través de él.
Arsenal
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@Arsenal, por favor, vuelva a leer mi publicación, (1) Marqué explícitamente mis puntos como "simplificados para principiantes" ; (2) la absorción de corriente es un término de ingeniería perfectamente válido, aunque tal vez no sea tan común. Vea el resumen de este artículo de IEEE .
Lorenzo Donati apoya a Mónica el
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@Arsenal Por supuesto, también "el dispositivo se pone POOF" y "emitir humo mágico" es la jerga estándar. :-)
Lorenzo Donati apoya a Monica el
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@LorenzoDonati parece que tenemos diferentes ideas sobre la educación de las personas. Me gusta presentarles las palabras que realmente usamos para facilitar la investigación y la expresión en el futuro, pero también puedo ver su punto. La corriente y el voltaje es algo difícil de explicar.
Arsenal
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Veo que Lorenzo ya respondió su pregunta directamente (+1). Esto es lo que puede hacer para encender su LED y ver lo que tiene.

Los LED son diodos, por lo que conducen solo en una dirección. A diferencia de una bombilla ordinaria, la orientación es importante. Si el LED no se ilumina de una manera, gírelo e intente nuevamente.

Para experimentar de forma segura con casi cualquier LED, use una fuente de 5 V con al menos 180 Ω en serie. Usar una resistencia más alta funciona, pero encenderá el LED más tenuemente. Incluso con 1 kΩ en serie, aún podrá ver cualquier luz LED iluminada en interiores.

La razón para usar un suministro de 5 V es limitar el voltaje inverso a través del LED cuando se conecta al revés. La mayoría de los LED pueden soportar al menos 5 V en reversa.

Un LED de luz visible dejará caer un mínimo de 1.8 V. Eso deja (5 V) - (1.8 V) = 3.2 V a través de la resistencia. Casi cualquier LED puede manejar una corriente directa de 20 mA. Según la ley de Ohm, (3.2 V) / (20 mA) = 160 Ω. Dije 180 Ω mínimo para un pequeño margen y porque ese es un valor común.

El voltaje directo del LED depende del color. Los LED verdes comunes caen aproximadamente 2.1 V, por ejemplo. Los LED "blancos" generalmente son realmente LED UV con fósforos que reemiten en el espectro visible. Esos pueden caer alrededor de 3.5 V.

Con una resistencia de 200 Ω y un LED de 3.5 V, obtienes (1.5 V) / (200 Ω) = 7.5 mA. Tal LED todavía se encenderá de manera bastante visible con 7.5 mA a través de él, incluso si hubiera podido manejar 20 mA o más.

Una vez que enciende su LED, puede medir su voltaje directo, luego ajustar la resistencia para permitir la corriente máxima con ese voltaje directo. Suponga que el máximo es 20 mA a menos que tenga una hoja de datos y diga lo contrario.

Olin Lathrop
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Me encanta esta respuesta Lorenzo respondió como un científico , ¡pero lo clavaste como un ingeniero !
polfosol
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Los comentarios no son para discusión extendida; Esta conversación se ha movido al chat . O tal vez comenzar una discusión Meta
clabacchio
Vale la pena tener en cuenta que frases como "con al menos 180 Ω en serie" podrían ser muy confusas para los novatos que podrían no estar seguros de si quieres decir algo avanzado sobre lo que no hablan o si literalmente quieres golpear una resistencia de 180ohm en el circuito.
Clonkex
Me gustaría que comenzaran con 330 Ohm. ¿Por qué explotar el LED con tanta corriente?
Jeff Wahaus
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Explicación física

Bombillas

Una luz incandenscente no es realmente una fuente de luz sino un elemento calefactor . Cualquier corriente a través de un cable lo calienta un poco ; Una vez que el cable está por encima de la temperatura ambiente, emite energía neta a través de la radiación de cuerpo negro . La velocidad a la que se emite esta energía depende de la cuarta potencia de temperatura , es decir, cuanto mayor sea la temperatura, más brillante será . Y cuanto más corriente (o equivalente más voltaje), mayor será la temperatura del cable.

El proceso físico fundamental detrás de la emisión de luz del cuerpo negro es el siguiente: los átomos en una pieza cálida de material son sacudidos por el movimiento térmico. Este movimiento es completamente caótico, por lo que incluso si la energía promedio por átomo es bastante baja, de vez en cuando un átomo en la superficie será empujado por varios vecinos y, por lo tanto, reunirá suficiente energía para que pueda emitir un fotón visible (al menos2.6×10-19

LEDs

Por el contrario, los LED bombean los átomos directamente a la energía que se requiere para emitir luz visible. Lo hacen explotando hábilmente2.6...3.2×10-19

1.6×10-19JUU×1miV


Eso es demasiado simplista: Stefan-Boltzmann describe la intensidad integrada en todo el espectro electromagnético. Solo una banda estrecha de eso es realmente visible (esa es la razón por la cual la luz incandescente es mucho menos eficiente que los LED). Dado que la longitud de onda de la intensidad máxima también depende de la temperaturaT4 4

De manera similar, la ley de Ohm no es completamente correcta aquí porque la resistividad depende de la temperatura. Pero la dependencia cualitativa mayor voltaje ⇒ mayor potencia eléctrica todavía es cierto.

a la izquierda
fuente
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Acabas de recibir una lección sobre cómo los LED no son lineales .

Las bombillas incandescentes son lineales una vez que se encienden . Lineal significa que actúa como una resistencia: el consumo de corriente es proporcional al voltaje: la mitad del voltaje, la mitad de la corriente, 1/4 de la potencia. Una luz incandescente haría lo que esperas.

Los LED tienen una curva de tensión-corriente muy pronunciada: un pequeño cambio en el voltaje da como resultado un gran cambio en el consumo de corriente. Estás en la parte inferior de ese gráfico, por lo tanto, no hay luz.

La curva empinada hace que el LED esté muy nervioso, pequeños cambios de voltaje resultan en grandes (y dañinos) cambios de corriente. Peor aún, la curva cambia según la temperatura, el binning y la edad. Por lo tanto, los LED tienen una clasificación específica corriente lugar de voltaje. Para los indicadores, puede limitar la corriente con resistencias. Para la iluminación, donde necesita un rendimiento máximo, es mejor usar un circuito de controlador activo para regular la corriente según las especificaciones.

Dichos circuitos también se prestan para aumentar o reducir el voltaje de suministro para adaptarse al LED. El Joule Thief es un circuito simple que resuelve el problema de conducir un LED de iluminación con una sola batería de 1.5V.


Por lo que vale, es aún peor con el tercer tipo de luz, iluminación de descarga de arco: fluorescente, neón, haluro metálico, vapor de mercurio y sodio de alta / baja presión. Son aislantes hasta cierto voltaje cuando el arco golpea ... Después de lo cual están casi a la altura. La limitación actual es obligatoria.

Harper - Restablece a Monica
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Me enseñaron que un bulbo de filamento generaba una carga de corriente constante razonable, cuanto más caliente se quema, mayor es la resistencia. Quizás esto es lo que quieres decir con 'una vez que se encienden'.
Sean Houlihane
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@SeanHoulihane Sí, hasta que se enciende un filamento, está cerca de un punto muerto, y todavía tiene una considerable "corriente de entrada" hasta que alcanza la potencia máxima. Si usa un incandescente en un modo limitado por corriente, puede hacer muchas cosas como esa. Para las risas, coloque un incandescente en un suministro de CC y observe cómo se calienta lentamente.
Harper - Restablece a Monica el
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Un poco de historia sobre los semiconductores ...

El silicio puro (o germanio) es un aislante. Se agregan impurezas para crear material de tipo "P" o "N". Cuando están uno al lado del otro (en un diodo PN o LED), las impurezas se cancelan entre sí , dejándolo con un pequeño " puro capa " que actúa como un aislante.

Si conectas el poder incorrectamente manera , la capa se vuelve más gruesa y más fuerte, hasta que dañe el dispositivo. (Varicaps utiliza este principio para crear un condensador variable: el grosor del aislamiento actúa como la distancia entre las placas del condensador)

Cuando conectas el poder a la derecha manera , la capa se vuelve más delgada hasta que el dispositivo finalmente pasa la corriente. Cuando eso finalmente suceda, su LED comenzará a brillar.

Una nota final: es posible encender un LED con solo una fuente de 1.5V: use un circuito de "intensificación" de voltaje. El circuito más común se llama Joule Thief .

Alan Campbell
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Su caída de voltaje (~ 2 V) es mayor que el voltaje de suministro (1.5 V). Si el voltaje de suministro es menor que la caída de voltaje, cualquier diodo (incluido el LED) no se conduce en absoluto.

Gredoso
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Esto no responde la pregunta de una manera que sea útil. ¿Por qué no obtienes luz alguna en este caso? OP espera un escenario similar a una bombilla incandescente, y esta respuesta no hace nada para explicar por qué esa expectativa es incorrecta.
Phil
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Además de las respuestas aquí, también vale la pena señalar que cada LED es diferente (incluso por color). Todos tienen voltajes de 'activación' y límites de ruptura ligeramente diferentes.

La manera correcta de asegurarse de que no va a hacer estallar su LED y al mismo tiempo asegurarse de que puede esperar luz es mirar la hoja de datos de su LED.

El uso de la hoja de datos le dará una experiencia esencial en

  1. Localización de dichas hojas de datos
  2. Leerlos y entenderlos

Para comenzar, aquí hay uno aleatorio para un LED blanco desde la parte superior de google; que es quizás un poco más complejo que la mayoría de los LED porque "blanco" no es un color en la tierra del LED.

Hay una cantidad increíble de información en ellos, y si no los comprende, le sugiero que lo intente y luego publique una pregunta nuevamente sobre una parte específica que no comprende.

UKMonkey
fuente
Los LED de diferentes colores no solo son diferentes (el rojo a menudo se clasifica alrededor de 2V, mientras que los LED blancos y azules funcionan regularmente a 3 + V) sino que incluso dentro de un color, y a veces incluso dentro de un lote, pueden variar. Es por eso que las hojas de datos a menudo muestran las calificaciones "V [Min [imum]", "Typ [ical]" y "Max [imum]" V f .
Doktor J