แรงดันไฟฟ้าตกและกระแสสำหรับ LED?

ฉันสร้างวงจรต่อไปนี้บนเขียงหั่นขนมและใช้แหล่งจ่าย Arduino Uno 3.3V สำหรับแหล่งจ่ายไฟ:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

มีการกล่าวถึงในเว็บไซต์ของ Arduino ว่า 3.3V มีกระแส 0.05A ตาม KVL สิ่งนี้จะทำให้เรา 3.3V - (330 Ohms * 0.05A) - แรงดันตกคร่อม LED = 0

ตามสมการแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม LED จะเป็นลบดังนั้น LED ไม่ควรเปิด อย่างไรก็ตามบนเขียงหั่นขนมไฟ LED จะสว่างขึ้น ... ทำไมล่ะ สิ่งนี้ขัดกับทฤษฎีพื้นฐานอย่างสมบูรณ์ ... เป็นเรื่องปกติหรือไม่ หรือเป็นไปได้เพียงเพราะฉันทำผิดพลาดที่ไหนสักแห่ง? = O

ปัญหาคือคุณยังไม่เข้าใจทฤษฎีพื้นฐานที่ถูกต้องในการใช้ :-)

อย่างไรก็ตาม - ขอแสดงความยินดีกับการพยายามใช้ด้วยตัวเอง ให้ทันและคุณจะคุ้นเคยกับวิธีการคำนวณอย่างถูกต้อง

แรงดันและกระแสและความต้านทานสามารถสร้างแบบจำลองได้ดีพอสมควรโดยการเปรียบเทียบน้ำ แรงดันคล้ายกับปั๊มแรงดันหรือ "หัว" แรงดันในอ่างเก็บน้ำกระแสจะคล้ายกับการไหลของกระแสและความต้านทานจะคล้ายกับความต้านทานของท่อต่อการไหลของน้ำหรือความต้านทานต่อการไหลที่เสนอโดยมอเตอร์ไฮดรอลิก

ดังนั้น "ข้อผิดพลาด" กับรุ่นของคุณสมมติว่าคะแนนปัจจุบันของ Arduino คือสิ่งที่ผลักดันสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อสิ่งที่สำคัญคือแรงดันไฟฟ้าหรือแรงดันสูบน้ำ

หาก Arduino ของ 3V3 วงจรมี 50 mA การจัดอันดับนี้เป็นปัจจุบันสูงสุดที่ควรจะได้รับอนุญาตให้ไหลและไม่ได้จำนวนเงินในปัจจุบันที่จะต้องไหล

การใช้แผนภาพวงจร ASCII art ของคุณ:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

สมการที่สำคัญที่นี่ (ข้อตกลงหนึ่งของกฎของโอห์ม) คือ

• I = V / R

สิ่งนี้บอกว่ากระแสจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและจะลดลงเมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้น มีปัจจัยพิเศษเกิดขึ้นที่นี่เพียงเพื่อทำให้สิ่งต่าง ๆ น่าสนใจยิ่งขึ้น ไฟ LED ทำหน้าที่เหมือนแรงดันไฟฟ้าคงที่ นั่นคือเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเกินขีด จำกัด เริ่มต้นแรงดันไฟฟ้าจะไม่เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับกระแส - มันจะเพิ่มขึ้น แต่ในอัตราที่ต่ำกว่าอัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้า

การจัดเรียงสมการใหม่ที่คุณได้รับ

• R = V / I

สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถคำนวณค่าตัวต้านทานที่จำเป็นเพื่อรับกระแสที่กำหนดด้วยแรงดันไฟฟ้าที่มีให้ ก่อนที่เราจะสามารถสมัครได้มี "gotcha" ที่เราต้องเข้าใจ

เมื่อใช้งานในช่วงกระแสไฟ LED การออกแบบไฟ LED ส่วนใหญ่มีแรงดันไฟฟ้าตกช่วง จำกัด LED สีขาวที่ทันสมัยอาจเริ่มเปล่งแสงอย่างเห็นได้ชัดด้วย 2.8V "drop" ข้าม LED มีการลดลงของ 3V3 (= 3.3 Volt) ที่ 20 mA (ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นกระแสการออกแบบสูงสุดสำหรับ LED 3 มม. และ 5 มม. ,) และเผาไหม้ออกจากกระแสเกินที่กล่าวว่า 3V8 ข้าม LED ตัวเลขทั่วไปจะแตกต่างกันไป แต่ก็ให้ความคิดบางอย่าง LED สีแดงที่ทันสมัยอาจมีแรงดันไปข้างหน้าเมื่อทำงานที่กระแสไฟ 2.5 V และ LED อินฟราเรดอาจทำงานที่ 1.8V โดยทั่วไป เมื่อคำนวณกระแสไฟ LED คุณสามารถเริ่มต้นได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าตกด้านหน้าโดยทั่วไปจากแผ่นข้อมูลของ LED

LED สีแดงทั่วไป

นี่คือแผ่นข้อมูลสำหรับไฟ LED สีแดงทั่วไปที่ทันสมัย มันเป็น Kingbright WP7113ID ฉันเลือกมันโดยการหาไฟ LED ที่มีสารตะกั่วในสต๊อค 5 มม. ราคาถูกที่สุดจำหน่ายโดย Digikey ใน 1 นั้นคือ 11 เซนต์สหรัฐ

แผ่นข้อมูลบอกว่าแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าโดยทั่วไปคือ 2.0V ที่ 20 mA ดังนั้นฉันจะใช้รูปนั้น

ทำงานที่ 20 mA

เนื่องจากไฟ LED มีแรงดันไฟฟ้าคงที่โดยประมาณเราจำเป็นต้องลบแรงดันไฟฟ้านั้นจากแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ซึ่งจะ "จ่าย" กระแสไฟฟ้าผ่านตัวต้านทาน เราจะออกแบบวงจรให้ 20 mA - ไฟ LED ให้ค่าสูงสุด ดังนั้นสูตรก่อนหน้าของเรากลายเป็น

• R = (V_supply - V_LED) / I

สำหรับ V_LED = 2v0 และ Vsupply = 3V3 ที่เราได้รับ

• R = (3.3 - 2.0) / .020 = 1.3 / .02 = 65 โอห์ม

68 Ohms เป็นค่าความต้านทานมาตรฐาน "E12" * ที่ใกล้ที่สุด

แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทาน = 3.3 - 2.0 = 1.3V - ดังที่กล่าวมา แผ่นข้อมูลบอกว่า Vf Md ของ LEd อาจจะมากถึง 2V5 ที่ 20 mA ให้ดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราใช้ LED ที่มี Vf = 2.5V ที่ 20 mA

ข้างต้น I = V / R = (Vsupply-VLED) / R

ตอนนี้เราใช้ I = (3.3-2.5) / 68 = 0.8 / 68 = 0.00176A ~ = 12 mA

ดังนั้นเราออกแบบมาสำหรับ 20 mA แต่ได้ประมาณ 12 mA ในกรณีนี้ ในทำนองเดียวกันถ้า Vf ของ LED ต่ำกว่า 2.0V ที่ 20 mA (สามารถเกิดขึ้นได้) ปัจจุบันจะสูงกว่า 20 mA โดยรวมแล้วกระแสไฟ LED อาจเปลี่ยนแปลงได้มากกว่า> 2: 1 เนื่องจากความผันแปรของการผลิตใน LED 'Vf นี่คือเหตุผลที่การออกแบบไดรฟ์ LED "ของจริง" ใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่หรือวงจรที่ใกล้เคียงกับแหล่งจ่ายกระแสคงที่ แต่นั่นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง

การทำงานกับตัวต้านทาน 330 โอห์ม

สำหรับตัวต้านทาน 330R ของคุณ

ด้วย LED Vf = 2V0 I_LED = V / R = (3.3-2V) / 330 = ~ 4 mA

ด้วย LED Vf = 2V5 I_LED = V / R = (3.3-2.5V) / 330 = ~ 2.4 mA

แผ่นข้อมูลไม่ได้บอกว่า Vf ต่ำสุดคืออะไร - แค่ปกติและสูงสุด - แต่สมมติว่ามันคือ 1.8V

I_LED = V / R = (3.3-1.8) / 330 = 4.5 mA

ดังนั้นกระแสไฟ LED สามารถเปลี่ยนแปลงได้จาก 2.4 mA ถึง 4 mA = อัตราส่วน 1: 1.666 ขึ้นอยู่กับ LED Vf

แต่ Vf ในแผ่นข้อมูลอยู่ที่ 20 mA ในขณะที่หยด Vf ในปัจจุบันจะลดลง "ค่อนข้าง" นี่คือลักษณะของ LED ที่เลือกจากแผ่นข้อมูล

เราจะเห็นได้ว่า Vf ประมาณ 1.7V ที่ 2 mA และประมาณ 1.78V ที่ 4 mA ดังนั้นค่าที่สันนิษฐานของ 1.8V นั้นดีพอสำหรับจุดประสงค์ของเรา

• E12 - ซีรีย์ตัวต้านทานที่พบมากที่สุดที่มีความแม่นยำ 5% - ตัวต้านทาน 12 ตัวต่อทศวรรษ

ชุดตัวเลขที่ต้องการ - ค้นหา E12 แล้วอ่านส่วนที่เหลือเช่นกัน :-)

เฉพาะ E12 - ค่าและรหัสสี - เน้นโดยรวม แต่มีประโยชน์น้อยลง

คุณต้องเริ่มต้นด้วยแรงดันไฟ LED ตก มันคือสิ่งที่กำหนดกระแสไฟฟ้าไม่ใช่วิธีอื่น ๆ เหตุผลคือแรงดันไฟ LED คงที่ไม่มากก็น้อยในขณะที่กระแสไฟฟ้าจะแปรผันและปรับให้เข้ากับความต้องการของวงจร
KVL เป็นสิ่งที่คุณต้องการจริงๆ หากแรงดันไฟ LED ตกจะเป็น 2V แรงดันตัวต้านทานจะเป็น 3.3V - 2V = 1.3V และด้วยเหตุนี้กระแสในวงจร

$I = \dfrac{1.3V}{330\Omega} = 4mA$

ดังนั้นหากแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะมีขนาดใหญ่เกินไปมันจะปรับค่าให้ต่ำลงโดยอัตโนมัติโดยลดกระแสไฟฟ้าลง

หมายเหตุ: 50mA คือสิ่งที่พินสามารถส่งมอบได้ สิ่งที่ส่งมอบในความเป็นจริงขึ้นอยู่กับสิ่งที่ถามโดยวงจรและที่ไม่ควรสูง และในกรณีของเรามันต่ำกว่านี้มาก

สำหรับสถานการณ์ส่วนใหญ่การคำนวณข้างต้นซึ่งสมมติว่าแรงดันไฟตก LED คงที่เพียงพอ แต่บางครั้งคุณต้องการคำตอบที่แน่นอนมากขึ้น เวลาส่วนใหญ่คุณจะไม่มีสมการกระแสกับแรงดันไปข้างหน้า แต่มีเพียงกราฟ นั่นหมายความว่าคุณไม่สามารถแก้ปัญหาได้ในเชิงวิเคราะห์ เราจะเห็นว่ามันง่ายที่จะแก้ปัญหาทางกราฟิก

$\Omega$$\dfrac{3V}{100\Omega}$
$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$

ดูคำถามนี้เพื่อค้นหาวิธีการคำนวณค่าตัวต้านทาน

ความเป็นไปได้สองอย่าง:

• การจัดอันดับปัจจุบันคือสิ่งที่อุปกรณ์การจัดหาสามารถจัดการได้โดยไม่มีความเสียหาย / ความร้อนสูงเกินไป แต่ไม่ใช่สิ่งที่ต้องใช้มาตรการเพื่อ จำกัด ตัวเอง

• แรงดันไฟฟ้าตกคร่อม LED นั้นสูงกว่าที่คุณคิดดังนั้นแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานและกระแสผ่านต่ำกว่า 50 มิลลิแอมป์ แผ่นข้อมูล LED แบบสุ่มที่ฉันเพิ่งขุดขึ้นแสดงแรงดันไปข้างหน้าที่ 1.85v - นั่นจะทำให้คุณลดลง 1.45v จากตัวต้านทานและกระแส 44 มิลลิแอมป์ (ซึ่งเป็นสองเท่าที่แนะนำสำหรับ LED ที่ฉันเลือก) คุณอาจต้องการพิจารณาตัวต้านทานที่ใหญ่กว่า - ชุดตัวส่งสัญญาณวิทยุแบบเก่าจะใช้ 680 โอห์มพร้อมกับแบตเตอรี่ 3 โวลต์)

หากคุณมีโวลต์มิเตอร์ (หรืออาจเป็นอินพุตแบบอะนาล็อกเองของอาร์ดิโน) คุณสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าของโหนดระหว่างตัวต้านทานและ LED และตรวจสอบการลดลงตามความต้านทานระหว่างตัวต้านทานและไฟ LED และทำให้กระแสจากการ .

คำตอบสั้น ๆ :

ปัจจุบันจะไม่เป็น 0.05A เพียงเพราะข้อมูลจำเพาะของอุปทานระบุว่า 0.05A; เมื่อข้อมูลจำเพาะของแหล่งจ่ายไฟจัดหากระแสไฟฟ้านั่นเป็นเพียงค่าสูงสุดที่คุณควรลองใช้ สิ่งที่คุณจะได้รับในปัจจุบันขึ้นอยู่กับโหลด

ที่กล่าวมาคุณสามารถได้คำตอบเชิงปริมาณสำหรับกรณีนี้จากกราฟที่ดีที่ได้รับจากคำตอบอื่น ๆ