O brilho do LED muda com a tensão?

Quando eu era jovem e aprendia sobre eletricidade, uma ferramenta fabulosa para entender tensão / corrente / resistência era uma lâmpada incandescente (no meu caso, era uma pequena lâmpada de 3V). Quando você dobrou a tensão, colocando duas baterias em série, ela brilhou 4x mais do que brilhante, mas aqueceu mais e estava mais propensa a queimar. Quando você coloca duas lâmpadas em série, elas brilham 1/4 do brilho. Quando você as coloca em paralelo, elas brilham normalmente, mas descarregam a bateria duas vezes mais rápido. Etc.

Atualmente, porém, as lâmpadas incandescentes estão saindo e os LEDs as substituem por um bom motivo (como não queimar a cada poucos meses). Mas os LEDs são diferentes e seguem regras diferentes, o que não me entendo muito bem.

Eu estava pensando - os LEDs podem ser usados ​​da mesma maneira? Sei que, para que um LED possa ser usado de maneira semelhante a uma lâmpada clássica, é necessário colocá-lo em série com um resistor, caso contrário, ele consome muita corrente e queima. Eu acho que você pode até comprar LEDs com resistores embutidos. Mas eles trabalhariam da mesma maneira? As mudanças de voltagem seriam acompanhadas das mudanças correspondentes no brilho?

Os LEDs são uma fera muito, muito diferente, em comparação com as lâmpadas incandescentes. Os LEDs pertencem a uma classe de dispositivo conhecida como dispositivos não lineares . Elas não seguem a Lei de Ohm no sentido clássico (no entanto, a Lei de Ohm ainda é usada em conjunto com elas).

Um LED é (obviamente) uma forma de diodo. Tem uma voltagem direta, que é a voltagem na qual o diodo começa a conduzir. À medida que a tensão aumenta, o mesmo ocorre com o desempenho do diodo, mas de maneira não linear .

Com um LED, é a quantidade de corrente que flui através dele que determina o quão brilhante é. Aumentar a tensão aumenta a corrente, sim, mas a região onde isso acontece sem que a corrente fique demais é muito pequena. Na curva vermelha acima, pode ser um pouquinho em torno de 1,5V, e quando você chegar a 2V, a corrente está fora da escala e o LED queima.

A colocação de LEDs em série soma as tensões diretas, portanto é necessário fornecer uma tensão mais alta para a condução começar, mas a região controlável ainda é pequena.

Então, controlamos a corrente em vez da tensão e tomamos a tensão direta como um valor fixo. Ao incluir um resistor no circuito para preencher a lacuna entre a tensão de alimentação e a tensão direta, limitando a corrente no processo ou usando uma fonte de corrente constante , podemos definir a corrente que queremos que flua através do LED e defina assim o brilho. Aumentando a corrente, mas não aumentando a tensão (ou apenas uma quantidade desprezível e puramente incidentalmente), aumentamos o brilho.

A fórmula para calcular a resistência a ser usada para uma corrente específica é:

$V_S$$V_F$$I_F$

Não, um LED por si só (sem resistores ou outros componentes eletrônicos) se comporta de maneira bastante diferente de uma lâmpada.

Veja esta folha de dados de um LED aleatório.

Role para baixo até a página com muitos gráficos. O terceiro gráfico mostra a intensidade relativa (luz) versus corrente através do LED:

(Fonte: folha de dados 334-15 / T1C1-4WYA)

Você notará que essa curva é um pouco linear, o que significa que o dobro da corrente forneceria aproximadamente o dobro de luz.

O que aprendemos: o brilho de um LED é um pouco proporcional à corrente que flui através dele.

Mas que corrente você recebe para uma certa tensão?

Veja o gráfico 2:

(Fonte: folha de dados 334-15 / T1C1-4WYA)

Corrente direta versus tensão direta, observe como a corrente aumenta rapidamente para uma tensão acima de 3 volts. Apenas 0,5 V a mais dá 4 vezes a corrente! Essa curva também muda entre os LEDs e a temperatura excessiva.

É por isso que é melhor alimentar os LEDs com uma corrente em vez de uma tensão. Se você alimentar um LED a com tensão, a corrente não é muito previsível, assim como o brilho. Além disso, a energia fornecida ao LED também varia conforme a energia é tensão x corrente.

É melhor manter um LED em uma corrente constante, e é por isso que são necessários resistores em série, que limitam a corrente ao valor pretendido. Não exatamente, mas perto o suficiente para a maioria dos propósitos.

Com o resistor em série no lugar, um LED (+ resistor) se comporta mais como uma lâmpada, no sentido de que a mudança no brilho é mais proporcional à tensão aplicada.

LED e lâmpadas incandescentes são quase opostas em características.

• Os LEDs caem em R com o aumento da tensão.

• A resistência do bulbo aumenta 10 vezes quando ligada. Isso se deve a um grande PTC térmico exponencial (+) de um filamento de tungstênio. Enquanto isso, os LEDs são exatamente o oposto, com um pequeno valor NTC linear (-).

  • Os LEDs não suportam tensões negativas. Todos são classificados em -5V absoluto máx.
  • LÂMPADAS seguem facilmente nos dois sentidos, AC-DC

• Os LEDs usam Au wirebond ultrassônico "fino em mícron", porque a solda o mataria.

• LÂMPADAS ... operam a 2500 'C

  • Os LEDs precisam de proteção ESD.
  • LÂMPADAS absorvem ESD sem nenhum problema.

• Os LEDs vêm em todas as cores do arco-íris e além.

• LÂMPADAS são todas iguais, em tons de branco

  • Os LEDs podem detectar luz com uma pequena corrente de saída, como fotodiodos.
  • LÂMPADAS não conseguem detectar luz.

• Os LEDs são de um lado, mesmo com um substrato transparente.

• Os BULBs são omnidirecionais.

Portanto, quando você soma tudo, precisa entender as diferenças para fazê-las funcionar no mesmo ambiente de energia. Ou então, conte com uma solução projetada para torná-los simples de usar.

Se você comprasse LEDs com resistores embutidos, eles funcionariam (quase) exatamente dessa maneira.

A saída de luz dos LEDs é quase proporcional à corrente em uma ampla faixa.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

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

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

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

Assim, ao colocar 2 LEDs com resistores de série embutidos em série, a corrente cai para metade da corrente inicial.

O brilho de um LED depende principalmente da corrente que passa por ele.

Uma lâmpada incandescente convencional é efetivamente um resistor, segue a lei de ohms V = I * R. Se você dobrar a tensão, a corrente dobrará e a potência usada aumentará por um fator de 4 (não é bem verdade, há alguma temperatura efeitos relacionados, mas próximos o suficiente por enquanto).

Um LED, por outro lado, é um diodo, como na maioria dos diodos, possui uma tensão de polarização direta relativamente fixa. Abaixo dessa tensão, nenhuma corrente flui; acima dessa tensão, o fluxo de corrente é ilimitado, mas a tensão é reduzida pela tensão de polarização. (Essa é uma simplificação maciça, mas é boa o suficiente para a maioria dos cálculos aproximados)

A voltagem depende dos materiais utilizados e, portanto, depende da cor. Normalmente ~ 1,8-2V para vermelho, amarelo ou verde, ~ 3V para azul, branco ou "verde verdadeiro". Essa queda de tensão aumentará com a corrente, mas apenas de 0,1 a 0,2 V, normalmente você pode ignorar esse efeito.

Como você indicou na sua pergunta, os LEDs geralmente são conectados a um resistor em série para limitar a corrente. Por quê?

Pense no LED como uma queda de tensão fixa, ele consumirá uma quantidade fixa de tensão, independentemente da corrente. Portanto, se você conectar um LED de 2V diretamente a uma fonte de 3V, restará 1V para ser deixado cair no restante do circuito. O restante do circuito, neste caso, serão as resistências internas na fonte de alimentação e nos fios. Essas resistências normalmente são razoavelmente baixas (tão baixas que você normalmente as ignora) e, portanto, uma grande corrente flui.

Supondo que as resistências estejam na região de 0,1 ohms, isso daria uma corrente de I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 amperes.

A potência dissipada no LED seria P = I * V = 10 * 2 = 20 watts.

Isso aqueceria muito rapidamente o LED até o ponto em que é destruído. O mundo real é um pouco mais complexo, já que o LED não é a queda de tensão fixa perfeita de resistência zero assumida, mas o resultado final é o mesmo de qualquer maneira.

Se adicionarmos um resistor em série de 100 ohms, além das resistências internas, a corrente é reduzida para 10mA e o LED brilha muito bem.

Alterar o valor do resistor altera o brilho, a maioria dos pequenos LEDs é limitada a cerca de 20mA no máximo e não é visível muito abaixo de 1mA. Geralmente, ultrapassar 10 mA é quase imperceptível (isso se deve mais à maneira como os olhos funcionam do que à maneira como os LEDs funcionam). Você também pode alterar o brilho ativando e desativando muito rapidamente; isso é mais simples para os sistemas digitais e geralmente é mais eficiente para um determinado brilho percebido (mais uma vez devido aos olhos do que aos LEDs), isso permite alterar o brilho. embora tenha apenas um único resistor fixo no hardware. Se você planeja usar um resistor variável para definir o brilho, é uma boa prática incluir também um pequeno valor fixo para que, com o resistor variável em 0, a corrente seja limitada a 20mA.

E se adicionarmos dois LEDs em série?

Cada LED precisa de 2V para ligar. Dois LEDs significam 4V. Com uma fonte de 3V, não temos tensão suficiente para desviar os diodos e, portanto, eles bloqueiam todo o fluxo de corrente. Os LEDs estarão apagados. Se você aumentar a tensão e ajustar o resistor limitador de corrente corretamente, os dois ligarão. Como o brilho depende da corrente através do LED e ambos terão a mesma corrente, eles terão o mesmo brilho (para o mesmo tipo de LED).

E se adicionarmos dois LEDs em paralelo?

Se adicionarmos dois em paralelo, cada um com seu próprio resistor, eles serão efetivamente circuitos separados. Supondo que a fonte de alimentação seja suficiente, cada um deles atuará como se fosse o único.

Se eles compartilham o resistor, as coisas ficam mais interessantes. Em teoria, isso funcionaria bem, você precisaria reduzir pela metade o valor do resistor para fornecer o mesmo por corrente de LED, mas diferente do que você esperaria que funcionasse. Infelizmente, não há dois LEDs idênticos, todos eles terão tensões de polarização ligeiramente diferentes, o que significa que mais corrente fluirá através de um que o outro (seria toda a corrente através de um se não fosse o pequeno aumento de tensão como corrente aumentos que normalmente ignoramos).

Isso significa que dois LEDs em paralelo com um único resistor quase nunca terão o mesmo brilho.

Geralmente, qualquer coisa que precise acionar um grupo de LEDs (por exemplo, uma luz de fundo) utilizará uma longa série de LEDs e aumentará a tensão o mais alto que for necessário (dentro da razão) para que eles tenham o mesmo brilho.

Enquanto um LED não se parece com uma lâmpada incandescente, a resposta ainda é SIM.

A única diferença nos cálculos da lei de ohms será subtrair a tensão direta do LED da tensão da fonte de alimentação.

A diferença entre a tensão direta do LED e a corrente direta é insignificante.

Eu medi a tensão de uma série de 16 LEDs vermelhos em 200, 350 e 500mA. As tensões eram 30,07, 31,20, 31,43. Variação de 1,02% de 200 para 500mA.