LED y lámpara en serie: ¿por qué la bombilla no se enciende?

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Mi hijo de 6 años acaba de comenzar a experimentar con un kit de estilo Snap Circuits y ya tenemos una pregunta muy básica.

Si colocamos un LED y una lámpara en paralelo alimentados por baterías, tanto el LED como la lámpara se iluminan brillantemente.

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Sin embargo, si colocamos el LED y la lámpara en serie, solo se encenderá el LED.

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Obviamente, la corriente pasa a través de la lámpara (si desenrosco la bombilla, el LED se apaga).

Entonces, ¿por qué la bombilla no se enciende?

Soy un poco tacaño, así que en lugar de comprar Snap Circuits adecuados, compré un conjunto genérico similar de China en eBay (ver: Electronic Blocks Kit W-58 )

(Disculpas si esto es demasiado básico para este foro pero aún no he encontrado la respuesta a través de Google)

Mark McLaren
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¿Puedes darnos un poco más de información de fondo? Recuerdo que Snapcircuits son algún tipo de módulos prefabricados que se pueden unir para trabajar juntos y se supone que son aptos para principiantes, pero lo más probable es que tengan algunos componentes adicionales que podrían ser importantes para una buena respuesta a esta pregunta. Si tiene especificaciones técnicas de los módulos (al menos qué módulos está usando exactamente) o fotos detalladas y enfocadas, podrían ser útiles.
AndrejaKo
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El LED es un led rojo con una resistencia oculta de 33 ohmios en serie, la lámpara está clasificada en 2.5V / 300mA. ¿Usó una resistencia en serie (como 100 ohmios) con el LED?
Spehro Pefhany
No que yo sepa.
Mark McLaren
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@Mark McLaren A diferencia de la lámpara, cuyo brillo es controlado por la potencia (producto del voltaje y la corriente) disipada por el cable, el brillo del LED es proporcional a la corriente que pasa a través del LED si el voltaje es más alto que cierto nivel. Se explica en la respuesta de Kaz, pero aquí hay un poco más de datos: Primero, el voltaje en el módulo LED es de 3 V - Vf - 33 * I = 0, cuando tenemos solo el LED en paralelo con la bombilla. Aquí, Vf es el voltaje especial que el LED necesita para encenderse. (cont.)
AndrejaKo
1
Cuando tenemos tanto el LED como la bombilla en serie, la ecuación de voltaje se convierte en: 3 V - Vf - 33 * I -Rbulb * I = 0. I es la corriente que pasa por el circuito. 33 es la resistencia de la resistencia incluida en el módulo LED. El LED es básicamente un tipo de dispositivo de este tipo que se encenderá tan pronto como haya una corriente que lo atraviese y el voltaje de la fuente sea más alto que el Vf, mientras que, por otro lado, el bulbo no será visible hasta que la potencia disipada alcance el nivel requerido. Esa es una de las razones por las cuales los LED están reemplazando las bombillas en muchos dispositivos como luces indicadoras.
AndrejaKo

Respuestas:

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Para el LED y la lámpara conectados en paralelo, cada uno tiene el voltaje completo de la batería.

Cuando se conecta en serie, el voltaje en cada uno debe sumar el voltaje de la batería.

Sin más información de la que se da, la respuesta más probable es que el voltaje a través de la lámpara, que debe ser igual al voltaje de la batería menos el voltaje a través del LED, es insuficiente para producir luz visible.

Mientras escribo esta respuesta, veo que ha agregado algunas imágenes. Parece que el voltaje total de la batería es de aproximadamente 3V. Dado que muchos LED tienen un voltaje directo superior a 2 V, esto deja menos de 1 V en la bombilla.

¿Tienes un voltímetro con tu kit? Si es así, mida el voltaje a través de la lámpara para la conexión en serie.

Alfred Centauri
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Creo que un punto más importante es el hecho, mencionado por Spehro en un comentario, de que la lámpara incandescente requiere 300 mA, mientras que un LED generalmente usa menos de 20 mA, por lo que el LED está limitando la corriente en el circuito a un valor tan bajo que la lámpara no hará luz visible. Si usa dos lamspps en serie, en lugar de un LED y una lámpara, ambas lámparas deben brillar tenuemente, ya que tendrán aproximadamente 150 mA.
Peter Bennett
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@PeterBennett, la corriente del LED puede variar ampliamente mientras que el voltaje del LED es aproximadamente constante, por lo que no creo que su razonamiento aquí sea correcto. El LED (que ignora cualquier resistencia incorporada) está limitando el voltaje a través de la lámpara y la resistencia de la lámpara (que varía con la temperatura) establece la corriente en serie.
Alfred Centauri
@ Peter: un LED no es una resistencia y ciertamente no "limita la corriente". La resistencia se coloca en serie para limitar la corriente para evitar quemar el LED, pero la corriente dependerá únicamente de la caída de voltaje sobre la resistencia, no del LED. Como explicó Alfred, un LED tiene una caída de voltaje casi constante que resulta en un voltaje muy bajo aplicado a la lámpara, pero no proporciona resistencia óhmica lineal como una lámpara. La lámpara, por otro lado, es una carga puramente (en su mayoría) resistiva, donde la corriente depende linealmente del voltaje aplicado.
Groo
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@Groo: Quizás fui un poco descuidado en mi explicación. Spehro menciona en su comentario que la parte led incluye una resistencia de 33 ohmios. Dado que el ensamblaje del LED funciona sin dañar el LED cuando se conecta directamente a la batería de 3 V, debe estar diseñado para consumir menos de 30 mA a 3 V y, por lo tanto, limitaría la corriente a menos que eso cuando se conecta en serie con los 300 mA lámpara.
Peter Bennett el
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El LED deja caer tanto voltaje que queda muy poco para la bombilla.

Solo tiene dos baterías de 1.5V, que, en serie, apenas son suficientes para el voltaje directo del LED.

Las bombillas incandescentes se atenúan rápidamente cuando se reduce la potencia que disipan: la potencia es voltaje cuadrado, dividido por la resistencia.

Por esta misma razón, atenuar las bombillas incandescentes no ahorra mucha energía. Solo una pequeña disminución fraccional en la potencia disipada atenúa una bombilla casi por completo.

Los filamentos generan principalmente calor, y solo una pequeña fracción como luz visible. Esto es muy sensible a la temperatura, que es muy sensible a la potencia disipada.

Intenta mirar la lámpara en una habitación oscura; Es posible que pueda ver un tenue resplandor rojo. Además, la luz del LED puede estar evitando que vea cualquier brillo tenue que la bombilla esté apagando, incluso en una habitación oscura. Cubra el LED también.

Kaz
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DEBE haber una resistencia en serie con el LED. Un LED es un diodo, y los diodos aumentan rápidamente la corriente que pasan a medida que el voltaje aplicado aumenta por encima de cierto punto, muy por debajo de 3V. Entonces, sin una resistencia limitadora de corriente, el LED pasaría tanta corriente que se quemaría.

Las respuestas anteriores que dicen que el LED baja el voltaje son correctas, pero la caída es a través de la combinación del LED y la resistencia oculta. La bombilla solo agrega un poco más de resistencia, lo que reduce un poco la corriente, pero solo hace que el LED sea un poco más tenue. Pero la bombilla no tiene el voltaje mínimo que necesita para encenderse.

Ken Jackson
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La respuesta más correcta.
krs013
Vale la pena mencionar que la resistencia LED interna "oculta" es principalmente relevante para la configuración del primer OP (el circuito paralelo), que es donde el LED está básicamente conectado directamente a 3V. El 1V restante se extiende sobre el cableado y (afortunadamente) esa resistencia interna que limita la corriente para evitar quemar el LED. En el segundo circuito, no cambia mucho la situación (suponiendo que sea 33ohm frente a 300ohm de la lámpara).
Groo
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Un factor adicional e interesante es que la resistencia al filamento de la lámpara incandescente cuando está fría es aproximadamente 1/10 de su resistencia cuando está caliente.

En lugar de 10 ohmios, la lámpara fría apagada probablemente esté más cerca de 1 ohmio.

PAGS=yo2R

La lámpara de la serie es poco más que un cable rizado que completa el circuito de luz LED.

Por otro lado, la característica de coeficiente de temperatura positiva de las lámparas incandescentes puede ser útil; vea los primeros osciladores de audio de HP y lea sobre los osciladores de puente Wien .

SteveRay
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¡Bienvenido a EESE! Como esta no es realmente una respuesta a la pregunta, debería haberla publicado como un comentario en lugar de una respuesta.
Joe Hass
Que es una respuesta. Explica que a lo que probablemente sea la corriente de funcionamiento del circuito, el filamento de la lámpara nunca se calienta lo suficiente como para iluminar. Además, introduce los conceptos de coeficiente de potencia y temperatura, contribuciones únicas y relevantes a la pregunta.
Phil Frost el
@PhilFrost Lo siento, pero no veo nada como "calentado insuficientemente para encender" en la respuesta. Si bien puede inferir eso a partir de la respuesta, no creo que el OP lo haga. Esta "respuesta" ni siquiera menciona el LED en absoluto.
Joe Hass
@JoeHass sí, lo hace: "A los 20 mA de corriente necesarios para encender completamente el LED". Si bien estoy de acuerdo en que el punto puede no estar claro para un niño de seis años o su padre que experimenta con SnapCircuits, intenta responder la pregunta. El curso de acción adecuado es sugerir formas de mejora, no marcarlo para su eliminación. Vea “no es una respuesta” versus “no es una buena respuesta” , pero esta respuesta ni siquiera es "no es una buena respuesta", es solo un breve resumen del nivel probable de comprensión del OP.
Phil Frost
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Responder vs comentar: no se me permitió comentar con 0 puntos de repetición. Busqué un equilibrio entre reexpresar todos los principios ya discutidos y aceptados claramente por el OP y la insuficiencia de simplemente agregar nueva información. Para afirmar que el LED no se menciona en absoluto, falta el hecho de que el LED se menciona dos veces (¿tal vez no con suficiente detalle?); la respuesta se centró intencionalmente en la lámpara incandescente apagada; La inesperada oscuridad de dicha lámpara es la fuente de la pregunta del OP.
SteveRay
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Gran pregunta! Es paralelo a los circuitos en serie, como se señaló. En paralelo, tanto la lámpara como los módulos LED obtienen 3 voltios completos. En la serie, tienen que compartir los 3 voltios, por lo que cada uno recibe algo. Si fueran 2 del mismo tipo de bombilla, cada una obtendría la mitad del voltaje. 3 bombillas en serie, cada una obtiene 1/3, y así sucesivamente. El módulo LED lo hace más complejo. Pero primero hagamos el mayor problema.

miyo=R3V0,3UNA=10Ω

VUNA=R1V:VUNAV=RVVV1UNA=RVUNA=VR10Ω+10Ω=20Ω3V20Ω=.150UNARUNA=V10Ω×.15UNA=1,5V

UNA=3V-1)XV10+33Ω1.9V43Ω1.1V43Ω

Para fines de discusión, los LED rojos tienen una caída de voltaje directo de 1. (algo) voltios, el verde es de alrededor de 2 voltios, el azul aún más. Por supuesto, tienen valores de resistencia finitos, pero es más fácil pensar en ellos como simplemente eliminar ese voltaje fijo. La corriente se puede calcular como el voltaje restante a través de la resistencia. Si no hay una resistencia, debe haber una forma más elaborada de limitar la corriente.

Para más diversión, coloque un motor eléctrico del tamaño adecuado en serie con una bombilla, observe qué tan brillante es la bombilla, luego coloque algún tipo de carga en el motor: un dedo presionando suavemente, una pala del ventilador o una paleta para mover el aire, etc. ¿algún cambio?

Bill IV
fuente
¡Qué gran respuesta! Mi hijo ensambló uno de estos circuitos rápidos, y descubrí que el comportamiento de la bombilla con mayor resistencia es contra intuitivo. Esta explicación deja claro que el aumento de la resistencia cambia la cantidad de corriente que consume el motor, dejando menos corriente disponible en el circuito. ¡Las matemáticas son geniales!
Resplin
@resplin, gracias! La ley de Ohm es útil, elegante y demuestra por qué es importante aprender algabra. ¡Las matemáticas son muy, muy buenas!
Proyecto de ley IV
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Una forma de visualizar y, por lo tanto, comprender lo que está sucediendo en el circuito, siendo esta una explicación o analogía muy simplificada, sería pensar que el LED no pasa suficiente corriente para encender la lámpara. En pocas palabras, tiene mucha más resistencia que la lámpara en esencia. Si colocó dos lámparas de tipo idéntico en serie, ambas deberían brillar igualmente brillantes, tan brillantes como la corriente proporcionada por la fuente de alimentación permitida. Como analogía realmente simple, dos lámparas de CA de 115 voltios del mismo voltaje colocado en serie requerirían + - 230 voltios para iluminar completamente.

Sin embargo, el LED tiene mucha más resistencia que la lámpara, o más precisamente es un semiconductor y tiene una caída de tensión directa.

Simplificado: Una caída de voltaje directo a través del LED de aproximadamente 2 voltios a una corriente de consumo de 20 mA, por ejemplo, (no puedo recordar los números precisos en este momento) y parece ser una configuración de batería de 3 voltios, que dejaría solo un voltio para la lámpara. Además, el LED no pasará suficiente corriente para calentar el filamento (que se clasifica como un inductor y el LED como un semiconductor, por lo que mi analogía es imprecisa), pero la lámpara probablemente no se iluminaría completamente incluso si el voltaje suministrado fuera más alto para compensar para la caída de tensión directa del LED.

Espero que tenga sentido. Pido disculpas si no, pero estoy apurado y solo vi esto cuando estaba a punto de tener que desconectarme y hacer otra cosa.

StansSongs
fuente
Decir que el LED no "pasa suficiente corriente" es engañoso. Un LED no limita la corriente de ninguna manera, simplemente proporciona una caída de voltaje casi constante, que a su vez afecta el resto del circuito. Retire todas las resistencias del circuito, y el LED pasará cualquier corriente imaginable hasta que libere el humo mágico .
Groo
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Su pregunta me recuerda un experimento similar en el que dos vatios desiguales pero lámparas de voltaje idénticas están conectadas en serie. De repente, se aplica un voltaje del doble del tamaño de una de las lámparas a la disposición, solo observe lo que sucede. Al elegir su voltaje, tenga en cuenta la seguridad eléctrica. Las lámparas de 6 voltios funcionarían bien. Sugiera que una bombilla de parada de automóvil / luz lateral a 6 voltios estaría bien. ¡Este experimento se usó en un examen práctico de física de la CME "A" hace unos 30 años!

Otra cosa que podría intentar es conectar diferentes lámparas de filamento de 240 voltios con carcasas de vidrio transparente a 12 voltios, si no recuerdo mal, las lámparas de 25 vatios funcionan bien y darán un brillo de filamento suave que es muy agradable de ver. Nuevamente, tenga en cuenta la seguridad eléctrica.

Nyge
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Solo voy a ignorar las caídas de voltaje por un momento y explicarlo en términos de corriente.

Cuando se coloca en serie con el LED, la corriente que pasa a través del LED también pasa a través de la bombilla, pero el calor que ingresa al filamento (corriente al cuadrado, multiplicada por la resistencia de la bombilla) es insuficiente para que el filamento se caliente lo suficiente como para producir luz visible .

La luz del LED es aproximadamente proporcional a la corriente que lo atraviesa, mientras que el brillo de la bombilla (¡para una bombilla tenue / con poca potencia!) Tiene una proporcionalidad más cercana al cubo de corriente de entrada. Si coloca una lámpara de "grano de trigo" (20ma), en serie con el LED, y ajusta la corriente, esto quedará claro.

Ahora, para algunos físicos: las baterías representan una fuente de voltaje casi ideal, esto se debe a que dentro de la batería hay una reacción química que mueve los electrones del cátodo (+) al ánodo (-) hasta que la diferencia de potencial entre los dos terminales alcanza la apertura -voltaje de circuito. Llamaré a esto Vbatt.

Cuando se realiza una conexión eléctrica entre los dos terminales, los electrones fluyen en la conexión externa desde el terminal (-) al (+) debido a esta diferencia de potencial, creando un "circuito" de electrones. Este flujo de electrones reduce la diferencia de potencial entre los terminales, lo que hace que la reacción se acelere y suministre más electrones, y la corriente aumenta. Al hacerlo, crea un voltaje creciente en la carga debido a la resistencia. La diferencia de corriente y potencial en los terminales aumenta hasta que sea suficiente para detener el aumento de la velocidad de reacción. Matemáticamente, I1 * R1 = Vbatt.

Wrangler profesional de electrones
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@Mark McLaren Pregunta interesante ... pero si pudieras cambiar la posición del led y la bombilla sin cambiar la polaridad (como está) en el circuito en serie, entonces la bombilla se encenderá si mi lógica es correcta ... No hace falta decir que el voltaje cae primero a través del LED y el voltaje restante (voltaje de 3 VOLTIOS MENOS utilizado por el LED) es insuficiente para la bombilla ... aunque tiene suficiente corriente porque está en serie. Los electrones fluyen desde la polaridad de las baterías hacia el led primero y puede ser por eso que el voltaje cae primero a través del led y el resto a través de la lámpara ... intente cambiar la posición del led y la lámpara y ver si la lámpara se enciende. ... afortunadamente, incluso el LED se encenderá porque el led requiere un voltaje bajo y el voltaje restante será suficiente para el led. tengo curiosidad

Amit Thakor
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Esta respuesta necesita un mejor formato, tiene un año de retraso y no se agrega a las respuestas existentes. Es posible que desee editarlo para eliminar "bcoz" y usar oraciones adecuadas.
David
No estoy seguro de lo que quieres decir con cambiar la polaridad, pero he intentado cambiar la posición del LED y la bombilla en serie y siempre es el LED el que se ilumina y nunca la bombilla.
Mark McLaren
Lo siento, pero no. El orden de la bombilla y el módulo LED no tiene ningún efecto. Inténtalo tú mismo. En serie, toda la corriente a través de la bombilla debe fluir a través del módulo LED. La polaridad del LED y la batería debe ser correcta: el cátodo del LED debe ir al terminal + de la batería y el ánodo al terminal - para el flujo de corriente directa. (cátodo - |> | - ánodo) el triángulo en el símbolo apunta de cátodo a ánodo. Los diodos Zener funcionan hacia adelante y hacia atrás, pero no emiten luz ...
Bill IV