Neden led dirençlere ihtiyacımız var

Araştırdım ve dirençlerin LED'den akan akımı sınırladığını söylüyor.

Ama bu ifade beni şaşırtıyor çünkü bir seri devrede akımın her noktada sabit olduğunu biliyoruz, bu yüzden bir direnç nasıl akabilir?

LED'ler, aralarında sadece biraz akımla yükselen kırmızı bir LED için 2.2V gibi oldukça sabit bir voltaja sahiptir. Bu LED'e seri direnç olmadan 3V beslerseniz, LED bu 3V için bir voltaj / akım kombinasyonu ayarlamaya çalışacaktır. Bu tür bir voltajla giden bir akım yoktur, teorik olarak LED'i yok edecek 10s, belki 100s amper olacaktır. Güç kaynağınız yeterli akım sağlayabilirse tam olarak bu olur.
Böylece çözüm bir seri dirençtir. LED'inizin 20mA'ya ihtiyacı varsa, örnekteki kırmızı LED'i hesaplayabilirsiniz

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

Doğrudan 2.2V tedarikinin de işe yarayacağını düşünebilirsiniz, ancak bu doğru değildir. LED veya besleme voltajındaki en ufak bir fark LED'in çok karanlık, çok parlak veya hatta yok olmasına neden olabilir. Bir seri direnç, dirençteki voltaj düşüşünün yeterince büyük olması şartıyla, voltajdaki küçük farklılıkların LED'in akımı üzerinde sadece küçük bir etkiye sahip olmasını sağlayacaktır.

Nokta bir LED zaten bir diyot ve diyotlar çok küçük iç dirence sahiptir (tabii ki "ileri" yönde), bu nedenle seri halinde başka bir şey yoksa, genel direnç çok düşüktür ve akım zar zor sınırlıdır ve bu zar zor sınırlı akım LED'e zarar verebilir ve güç veren devrenin aşırı yüklenmesine neden olabilir.

Yani evet, elemanlar seri bağlandığında akımın devrenin her noktasında aynı olması tamamen haklısınız, ancak bir direnç eklediğinizde serinin genel direncini arttırırsınız ve bu akımı azaltır.

Her zaman karmaşık cevaplarla ;-). Şuna bak. Bir pilin terminallerine bir tel yerleştirdiğinizde ne olur? Mükemmel bir dünyada, teli eriten sonsuz akım elde edersiniz. Buna kısa devre diyoruz. Diyotlar minimum ileri dirence sahip olacak şekilde tasarlandığından, kısa devre ile aynı etkiyi elde ederiz. Sonsuza kadar sınırlamak için akıma karşı direnecek bir şey sağlamak için buraya bir direnç koyun

Hayal et

• Hızı akım akışıyla orantılı olan su ile çalışan bir motorunuz vardı.

• Motorun kendisi akım akışına çok az direnç gösterdi - bir pompanın dışındaki akım akışını kontrol etmek zorundaydınız.

• 10 metrelik bir borudan motora sonra da motora ve daha sonra başka bir 10 metrelik borudan pompanın emme tarafına saniyede 10 litre pompalayabilen bir pompanız var. (Debi, pompanın yaptığı basınç ve boru hattı direnci ile ilgilidir - yani, pozitif bir deplasmanlı pompa DEĞİLDİR.

• Pompa çalıştırıldığında motorun çok hızlı çalıştığını ve akışı yaklaşık 1 litre / saniye ile sınırlamanız gerektiğini buldunuz.

Gereksinimi sağlamak için, basıncın çoğunu düşürmek ve akışı sınırlamak için devreye bir indirgeme valfi yerleştirebilirsiniz. Valf, belirli bir akış hızında ve ayarlanabilir şekilde belirli bir miktarda basıncı düşürmeye çalıştı. (Bu, kaç rel su vanasının çalıştığı ile ilgilidir).

Valfi HER YERE devrenin içine yerleştirebilirsiniz ve istenen sonucu elde edersiniz. Pompa girişinde veya çıkışında veya motor çıkışında veya girişinde veya her iki borunun herhangi bir yerinde olabilir.

Bu size LED sorusuna yakın bir benzetme. Sınırlayıcı olmadan çok yüksek olduğu için akım sınırlandırılmalıdır. Sınırlayıcı devrenin herhangi bir yerine yerleştirilebilir.

Pil - direnç LED devresi ile

LED, seçilen bir akımda belirli bir tanımlanmış voltaj düşüşüne sahiptir.
Spesifik olarak, 20 mA'da LED'in tam olarak 3.00 Volt düştüğünü söyleyelim. Bu, bazı modern LED'lerde tipiktir.
LED'i 20 mA'da çalıştırmak istiyorsak, 3 V düşmesini ayarlamalıyız - daha fazla ve daha az değil.
LED'i çalıştırmak için bir 9V kaynağı kullanmak istiyorsak, N = ZORUNLU bir şekilde kurtulmalıyız.
Direnç bunu yapar.
20 mA'da 6V düşürmek için gereken direnç R = V / I = 6 / 0.02 = 300 ohm'dur.
Bu örnekte 9V pil + direnç + LED 20 mA'da çalışacaktır. Direnç, LED'in önüne veya arkasına yerleştirilebilir. Akım her iki konumda da üzerinden atılır.

Bu soru ile ilgili değil, ancak

• "Ciircuit serisi, akımın her noktada sabit olduğunu biliyoruz."

yanlış.

Bunun rue olduğu birçok devre vardır, ancak doğru olmadığı birçok devre de vardır.
Bu 1 LED, 1 direnç devresi gibi sadece dirençli bileşenlere sahip DC devrelerinde, bu doğrudur. ANCAK indüktörler ve kapasitörler veya diğer doğrusal olmayan elemanlar gibi reaktif bileşenler mevcutsa, genellikle doğru DEĞİLDİR.

Burada neyin önemli olduğuna odaklanalım: LED (bir diyot) karakteristik eğrisi. Lütfen bu resme wikipedia'dan bakın. Gördüğünüz gibi, diyot boyunca pozitif voltajlar için akımı katlanarak artar. Şimdi LED'inizi dirençsiz bir güç kaynağına bağladığınızı düşünün. LED'i yakmak için ihtiyacınız olan kesin akımı elde etmek için diyot boyunca tam voltajı ayarlamanız gerekir. Herhangi bir nedenle güç kaynağınız ihtiyacınız olan voltajın biraz üzerine çıkarsa, akım diyotunuza zarar verebilecek olandan daha yüksek olacaktır. Peki, bir direnç bu sorunla ilgili bize nasıl yardımcı olabilir? GERİ BİLDİRİM! elektronik en önemli kavramlardan biri! Örneğimize geri dönelim ve diyot ve güç kaynağı ile seri olarak bir direnç ekleyelim. Şimdi, güç kaynağınız nominal voltajını her aştığında, diyot akımını tekrar katlanarak artıracaktır, ancak akım yükseldikçe direnç üzerindeki voltaj da daha yüksek olacaktır, yani diyot üzerindeki voltaj azalacak ve güç kaynağını dengeleyecektir. gerilim artışı.

LED, akım malzemeden aktığında ışık fotonları üreten yarı iletken bir malzemeden yapılmış bir diyottur. LED boyunca ne kadar fazla akım olursa, LED o kadar fazla ışık yayar, o kadar parlak olur. Ancak, LED'e zarar vermek için yeterli akım miktarı olan bir üst sınır vardır.

Bir LED, içinden geçen akıma çok az direnç gösterir. Sunulan küçük direncin çoğu yayılan ışıktan kaybedilen enerjiden gelir ve foton üretimi o kadar verimlidir ki direnç oldukça önemsizdir. Ancak akım arttıkça, ışık miktarı artar, LED bir noktada başarısız olur, çünkü LED'den geçen akım miktarı malzeme arızalarına neden olur. Yeterince büyük miktarda akım olduğunda, felaketli malzeme buharlaşması LED dış zarfında küçük bir patlamaya neden olabilir. 3.3v veya 5v dijital devrelerde bulunan daha düşük akım seviyeleri ile en olası sonuç, yarı iletken malzemenin başarısız olması ve iletimi durdurması ve LED'in artık yanmamasıdır.

Devre gerilimi bir LED'in akım çekişini nasıl etkiler? Bir LED bir diyot tipi olduğundan, Shockley diyot denklemi bir diyotun çeşitli voltaj seviyelerinde izin verdiği akımı açıklar. Denklem, belirli bir voltaj aralığı için Shockley işlevinin sonuçlarının üstel bir eğri izlediğini gösterir. Bu, voltajdaki küçük değişikliklerin akımda büyük değişiklikler yapabileceği anlamına gelir. Bu nedenle, gerilimi LED'in İleri Geriliminden daha yüksek olan basit bir devrede bir LED kullanılması, LED'in önerilen seviyelerden şaşırtıcı bir şekilde daha fazla akım çekmesini, LED arızasına neden olur.

Bkz Vikipedi konu LED Devresi yanı sıra Vikipedi konu Shockley diyot denklemi .

Buradaki fikir, LED'den akan akım miktarını sınırlamak için LED devresini tasarlamaktır. LED malzemesinin arızalanmasına gerek kalmadan istenen parlaklık seviyesine neden olmak için yeterli akımın dengelenmesini istiyoruz. Akımı sınırlamanın en yaygın yöntemi, devreye bir direnç eklemektir.

Bir LED, LED'in elektriksel özelliklerini ve toleranslarını açıklayan bir veri sayfasına sahip olmalıdır. Örneğin, bu veri sayfasına bakın Model No .: YSL-R531R3D-D2 .

İlgilendiğimiz ilk özellikler (1) malzeme arızası mümkün olmadan LED'in sağlayabileceği maksimum akım nedir ve LED arızasına neden olur ve (2) önerilen akım aralığı nedir. Tipik bir standart kırmızı LED için bu ve diğer Maksimum Değerler (farklı LED'ler farklı değerlere sahip olacaktır) aşağıdaki tabloda gösterildiği gibidir.

Bu standart kırmızı LED için veri sayfasındaki tabloda, maksimum akımın 20mA olduğunu ve önerilen aralığın 16mA ila 18mA olduğunu görüyoruz. Bu önerilen aralık, malzeme arızasını riske atmadan LED'in en parlak olduğu akımdır. Ayrıca, nominal Güç Tüketimi 105mW olduğunu görüyoruz. LED devre tasarımımızda önerilen bu aralıklarda kaldığımızdan emin olmak istiyoruz.

Bir sonraki tabloya baktığımızda 2.2v LED için bir İleri Gerilim değeri buluyoruz. İleri Gerilim değeri, akım LED'den ileri yönde, anottan katoda akarken oluşan voltaj düşüşüdür. Bkz. Diyotlarla çalışırken “ileri” ve “geri” voltajı nedir? .

Bu LED'i 2.2v ve 20mA'lık bir akımda kullanacak olsaydık, LED 44mW'yi dağıtacak ve bu da güç yayılımı güvenlik bölgemizde yer alacaktır. Akım 20mA'dan 100mA'ya değişirse, dağılım 5 kat daha büyük veya 220mW olacaktır, bu da LED için nominal 105mW Güç Tüketimi'nin çok üzerindedir, böylece LED'in arızalanmasını bekleyebiliriz. Bkz. Çok fazla akım verdiğimde LED'ime ne olur? .

LED aracılığıyla akımı önerilen seviyelere düşürmek için devreye bir direnç ekleyeceğiz. Hangi değer direncini kullanmalıyız?

Ohm Kanunu kullanarak bir direnç değeri hesaplıyoruz V = I x R. Ancak bir cebirsel dönüşüm yapacağız çünkü Gerilim yerine Direnç için çözmek istiyoruz, bunun yerine formülü kullanıyoruz R = V / I.

Amper cinsinden akım olan I değeri oldukça açıktır, dönüştürülmüş formüldeki LED veri sayfasından önerilen minimum 16mA veya .016A'yı kullanmanıza izin verir. Ama volt için hangi değeri kullanmalıyız, V?

Direncin tüm devrenin toplam gerilim düşüşüne katkısı olan direncin voltaj düşüşünü kullanmamız gerekir. Bu nedenle, dirençten gerekli voltaj düşümü katkısını belirlemek için LED'in voltaj düşümü katkısını toplam devre voltajından çıkarmamız gerekecek. Bir LED'in voltaj düşüşü, ileri voltaj değeridir, voltaj, anottan katoda ileri yönde, yukarıdaki tablodan.

3.3v rayını güç kaynağı olarak kullanan standart bir Raspberry Pi projesi için, hesaplama (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

Peki, hesaplamalar 69 ohm gösterdiğinde neden 200 ohm gibi bir direnç değeri yaygın olarak kullanılır?

Kolay cevap, 200 ohm'luk bir direncin birçok deney kitinde bulunan ortak bir direnç olmasıdır. LED tarafından yayılan ışık belirgin şekilde azalmayacaksa, ortak bir direnç kullanmak istiyoruz.

Öyleyse 69 ohm'luk bir dirençten 200 ohm'luk bir dirence geçersek, akımdaki değişiklik nedir? Yine bu sefer devrede akımı çözmek için Ohm yasasını kullanıyoruz I = V / Rveya 3.3v / 200 ohms = .0165ALED veri sayfasına baktığımızda bu değerin önerilen 16 mA ila 18 mA aralığında olduğunu görüyoruz, bu nedenle LED yeterince parlak olmalıdır.

Basitçe, led düşük bir dirence sahiptir, tek başına bir aküye bağlıysa, içinden akan akım çok yüksek olacaktır (I = V / R), yüksek akım, küçük led'in direncinde daha fazla güç anlamına gelir, bu da diyotun yanmasına neden olur (termal olarak), çünkü malzeme çok düşük ısı transfer sabitine sahiptir.

Enerji kaybının = (I ^ 2 × R) olduğuna dikkat edin.