Меняется ли яркость светодиодов в зависимости от напряжения?

Когда я был маленьким и изучал электричество, прекрасным инструментом для понимания напряжения / тока / сопротивления была лампочка накаливания (в моем случае это была маленькая лампочка на 3 В). Когда вы удвоили напряжение, поместив две батареи последовательно, оно светилось в 4 раза ярче, но больше нагревалось и было более подвержено перегоранию. Когда вы ставите две лампочки в серии, они светятся на 1/4 ярче. Когда вы устанавливаете их параллельно, они светятся нормально, но разряжают аккумулятор в два раза быстрее. И т.п.

Однако в этот день и возраст лампы накаливания находятся на выходе, и светодиоды заменяют их по уважительной причине (например, не перегорают каждые несколько месяцев или около того). Но светодиоды разные и следуют другим правилам, которые я не очень хорошо понимаю.

Мне было интересно - можно ли использовать светодиоды таким же образом? Я знаю, что для того, чтобы светодиод можно было использовать так же, как классическую лампочку, его необходимо подключать последовательно с резистором, иначе он потребляет слишком большой ток и перегорает. Я думаю, что вы даже можете купить светодиоды со встроенными резисторами. Но будут ли они работать таким же образом? Будут ли изменения напряжения сопровождаться соответствующими изменениями яркости?

Светодиоды - это совсем другой зверь по сравнению с лампами накаливания. Светодиоды относятся к классу устройств, известных как нелинейные устройства . Они не следуют Закону Ома в классическом смысле (однако Закон Ома все еще используется вместе с ними).

Светодиод (очевидно) является формой диода. Он имеет прямое напряжение, которое является напряжением, при котором диод начинает проводить. По мере увеличения напряжения растет и диодная проводимость, но это происходит нелинейно .

Со светодиодом количество тока, проходящего через него, определяет его яркость. Увеличение напряжения увеличивает ток, да, но область, где это происходит без слишком большого тока, очень мала. На красной кривой выше это может быть чуть-чуть около 1,5 В, и к тому времени, когда вы достигнете 2 В, ток зашкаливает, а светодиод гаснет.

Последовательное включение светодиодов суммирует прямые напряжения, поэтому вы должны обеспечить более высокое напряжение для запуска проводимости, но контролируемая область все еще такая же крошечная.

Таким образом, мы контролируем ток вместо напряжения и принимаем прямое напряжение в качестве фиксированного значения. Включив резистор в цепь, чтобы заполнить зазор между напряжением питания и прямым напряжением, ограничивая ток в процессе, или используя постоянный ток , мы можем установить ток, который мы хотим пропустить через светодиод и таким образом установите яркость. Увеличивая ток, но не увеличивая напряжение (или только незначительное количество, и чисто случайно), мы увеличиваем яркость.

Формула для расчета сопротивления для использования для определенного тока:

Где - напряжение питания, V F - прямое напряжение светодиода, а I F - требуемый прямой ток светодиода.$V_S$$V_F$$I_F$

Нет, сам светодиод (без резисторов или другой электроники) ведет себя совсем не так, как лампочка.

Посмотрите на эту таблицу случайных светодиодов.

Прокрутите страницу вниз со множеством графиков. Третий график показывает относительную интенсивность (свет) в зависимости от тока через светодиод:

(Источник: технические данные 334-15 / T1C1-4WYA)

Вы заметите, что эта кривая несколько линейна, то есть вдвое больше тока даст вам примерно вдвое больше света.

Что мы узнали: яркость светодиода в некоторой степени пропорциональна току, протекающему через него.

Но какой ток вы получаете для определенного напряжения?

Посмотрите на график 2:

(Источник: технические данные 334-15 / T1C1-4WYA)

Прямой ток против прямого напряжения, обратите внимание, как быстро увеличивается ток для напряжения выше 3 Вольт. Только 0,5 В больше дает в 4 раза больше тока! Эта кривая также изменяется между светодиодами и перегревом.

Поэтому лучше питать светодиоды током, а не напряжением. Если вы питаете светодиод a напряжением, ток не очень предсказуем, поэтому яркость тоже не будет. Кроме того, мощность, подаваемая на светодиод, будет меняться, поскольку мощность представляет собой напряжение х ток.

Лучше поддерживать постоянный ток светодиода, поэтому необходимы последовательные резисторы, которые ограничивают ток до требуемого значения. Не совсем, но достаточно близко для большинства целей.

При установленном последовательном резисторе светодиод (+ резистор) в некоторой степени ведет себя как лампочка в том смысле, что изменение яркости более пропорционально приложенному напряжению.

LED и лампы накаливания практически противоположны по характеристикам.

• Светодиоды падают в R с ростом напряжения.

• Сопротивление BULB увеличивается в 10 раз при включении. Это связано с большой экспоненциальной температурой ПТК (+) вольфрамовой нити. Между тем, светодиоды как раз наоборот, с небольшим линейным значением NTC (-).

  • Светодиоды не могут работать с отрицательным напряжением. Все рассчитаны при абсолютном макс. -5В.
  • Лампочки легко идут в обе стороны, AC-DC

• Светодиоды используют ультразвуковую Au-связь "тонкий микрон", потому что пайка убьет их.

• ЛАМПЫ ... работают при 2500'C

  • Светодиоды нуждаются в защите от электростатического разряда.
  • Лампы поглощают ОУР без каких-либо проблем.

• Светодиоды бывают всех цветов радуги и за ее пределами.

• Лампочки все одинаковые, в оттенках белого

  • Светодиоды могут обнаруживать свет с небольшим выходным током, как фотодиоды.
  • Лампочки не могут обнаружить свет.

• Светодиоды односторонние даже с прозрачной подложкой.

• Лампочки являются всенаправленными.

Поэтому, когда вы складываете все это, вы должны понимать различия, чтобы заставить их работать в одной и той же энергетической среде. Или же полагаться на разработанное решение, чтобы сделать их простыми в использовании.

Если бы вы купили светодиоды со встроенными резисторами, они бы работали (почти) именно так.

Световая мощность светодиодов практически пропорциональна току в широком диапазоне.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$$I=(V_b/R_i)$

$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$ уменьшить примерно до :

$I=(V_b/(2*R_i))$

Таким образом, при последовательном соединении двух светодиодов со встроенными последовательными резисторами ток падает до половины первоначального тока.

Яркость светодиода зависит прежде всего от тока, протекающего через него.

Обычная лампа накаливания фактически является резистором, она соответствует закону омов V = I * R. Если вы удвоите напряжение, ток удвоится, а используемая мощность возрастет в 4 раза (не совсем верно, есть некоторая температура сопутствующие эффекты, но пока достаточно близко).

Светодиод с другой стороны - это диод, как и большинство диодов, у него относительно фиксированное прямое напряжение смещения. Ниже этого напряжения ток не течет, выше этого тока ток неограничен, но напряжение уменьшается напряжением смещения. (Это значительное упрощение, но достаточно для большинства грубых вычислений)

Какое это напряжение будет зависеть от используемых материалов и будет зависеть от цвета. Обычно ~ 1,8-2 В для красного, желтого или зеленого, ~ 3 В для синего, белого или "истинно зеленого". Это падение напряжения будет увеличиваться с ростом тока, но только на 0,1-0,2 В, вы обычно можете игнорировать этот эффект.

Как вы указали в своем вопросе, светодиоды обычно соединены с резистором последовательно для ограничения тока. Почему?

Думайте о светодиоде как о фиксированном падении напряжения, он будет использовать фиксированное количество напряжения независимо от тока. Таким образом, если вы подключите светодиод 2 В непосредственно к источнику 3 В, то останется 1 В, который будет отброшен по остальной цепи. Остальная часть цепи в этом случае будет внутренним сопротивлением в блоке питания и проводах. Эти сопротивления обычно довольно низкие (настолько низкие, что вы обычно игнорируете их), и поэтому будет течь большой ток.

Предполагая, что сопротивления находятся в диапазоне 0,1 Ом, это даст ток I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 ампер.

Мощность, рассеиваемая в светодиоде, будет равна P = I * V = 10 * 2 = 20 Вт.

Это очень быстро нагреет светодиод до точки его разрушения. Реальный мир немного сложнее, поскольку светодиод не является идеальным фиксированным падением напряжения с нулевым сопротивлением, но конечный результат в любом случае одинаков.

Если мы добавим последовательный резистор на 100 Ом в дополнение к внутренним сопротивлениям, то ток уменьшится до 10 мА, и светодиод будет хорошо светиться.

Изменение значения резистора изменит яркость, большинство маленьких светодиодов ограничены максимум 20 мА и не видны намного ниже 1 мА. Обычно превышение 10 мА едва заметно (это больше связано с тем, как работают глаза, чем с тем, как работают светодиоды). Вы также можете изменить яркость, включив и выключив их очень быстро, это проще для цифровых систем и, как правило, более эффективно для заданной воспринимаемой яркости (опять же больше за счет глаз, чем светодиодов), это позволяет вам изменять яркость в то время как в оборудовании имеется только один фиксированный резистор. Если вы планируете использовать переменный резистор для установки яркости, то хорошей практикой также является включение небольшого фиксированного значения, чтобы при переменном резисторе в 0 ток был ограничен 20 мА.

Так что, если мы добавим два светодиода в серии?

Каждый светодиод нуждается в 2 В для включения. Два светодиода означают 4V. С источником 3 В у нас нет достаточного напряжения для прямого смещения диодов, и поэтому они будут блокировать весь ток. Светодиоды будут выключены. Если вы увеличите напряжение и правильно установите резистор ограничения тока, они оба включатся. Поскольку яркость зависит от тока, проходящего через светодиод, и они оба будут иметь одинаковый ток, они будут одинаковой яркости (для светодиодов одного типа).

Что, если мы добавим два светодиода параллельно?

Если мы добавим две параллели, каждая со своим собственным резистором, то это фактически отдельные цепи. Предполагая, что питания достаточно, каждый будет действовать так, как если бы он был единственным.

Если они делят резистор, то все становится интереснее. Теоретически, это будет работать нормально, вам нужно уменьшить значение резистора вдвое, чтобы получить то же значение для каждого светодиода, но в противном случае вы ожидаете, что оно будет работать. К сожалению, нет двух одинаковых светодиодов, все они будут иметь слегка отличающиеся напряжения смещения, что означает, что через один ток будет течь больше тока (это был бы весь ток через один, если бы не небольшое увеличение напряжения как тока увеличивается, что мы обычно игнорируем).

Это означает, что два светодиода параллельно с одним резистором почти никогда не будут иметь одинаковую яркость.

Как правило, все, что необходимо для управления группой светодиодов (например, подсветка), будет использовать длинную последовательную цепочку светодиодов и будет повышать напряжение настолько высоко, насколько это необходимо (в пределах разумного), чтобы они все имели одинаковую яркость.

Хотя светодиод не имеет ничего общего с лампой накаливания, ответ все равно ДА.

Единственная разница в расчетах по закону Ома состоит в том, чтобы вычитать прямое напряжение светодиода из напряжения источника питания.

Разница между прямым напряжением светодиода и прямым током незначительна.

Я измерил напряжение цепи из 16 красных светодиодов при 200, 350 и 500 мА. Напряжения были 30.07, 31.20, 31.43. Изменение на 1,02% от 200 до 500 мА.