O que acontece se um LED estiver conectado a uma tensão de alimentação maior que sua queda de tensão?

Minha compreensão de resistência e tensão é horrível. Ouvi dizer que, com a lei de Kirchhoff, (em minhas palavras, corrija) a tensão usada pelo circuito deve ser igual à tensão fornecida. Por exemplo, se eu tivesse uma bateria de 9 V, devo usar todos os 9 V.

Digamos que eu tenha um LED com uma voltagem de polarização direta típica de 3,1 V, o que significa que ele perde 3,1 V ao gerar luz. O LED se 9 V for usado, queimará?

Provavelmente é verdade, mas um bom exemplo realmente tornará minha compreensão mais intuitiva.

Essa é uma daquelas situações em que seu problema não é o quão bom você é na análise ou qual conhecimento básico você pode ter, mas simplesmente que você não tem idéia do que não sabe. Isso sempre torna o primeiro passo na eletrônica muito alto.

No caso do seu exemplo, o que você não sabe sobre uma bateria?

1. A tensão terminal de uma bateria ideal nunca mudaria (pelo menos até que toda a capacidade de armazenamento de energia seja usada). Portanto, deve haver fatores que afetam a tensão do terminal e sua capacidade de energia útil. Uma lista rápida é química, volume de materiais, temperatura e design do ânodo / cátodo.
2. Uma bateria prática possui capacidade limitada e muitos dos outros fatores que influenciam a tensão do terminal e a capacidade potencial de corrente podem ser transformados em um elemento de modelo chamado 'Resistência interna'. No modelo para a maioria das baterias maiores, serão frações de ohm. No entanto, a bateria também possui outros elementos, como capacitância e indutância, para tornar a situação mais complexa. Você pode começar lendo sobre os modelos de bateria com textos como este .

Um ótimo exemplo de uma bateria maior com resistência interna muito pequena é uma bateria de carro de 12 V. Aqui, quando você liga o carro, são necessários centenas de Amperes (kW de potência e corrente na faixa de 600 A) para ligar o motor e a tensão do terminal pode cair de 13,8 V (uma bateria de chumbo-ácido totalmente carregada) para apenas 10 V ao pôr em marcha. Portanto, a resistência interna pode ser (usando a Lei de Ohms) de apenas 6 miliohms.
Você pode dimensionar o pensamento deste exemplo para baterias menores, como pilhas AA, AAA e C, e pelo menos começar a entender a complexidade de uma bateria.

Agora, o que você não sabe sobre um LED?

1. A complexidade do modelo elétrico para um diodo (seja apenas um retificador ou um LED) é imensa. Mas podemos simplificá-lo aqui e dizer que, no mais simples, você pode representar um diodo por sua tensão Bandgap com um resistor em série. Você pode começar aqui começando a aprender sobre os muitos pacotes SPICE e essa discussão no StackExchange pode ser um bom ponto de partida.
2. Todos os dispositivos semicondutores têm uma limitação prática na quantidade de energia que podem dissipar. Isso está relacionado principalmente ao tamanho físico do dispositivo. Quanto maior o dispositivo, mais energia ele pode dissipar.

Agora você pode considerar seu LED. Você deve começar tentando entender a folha de dados do dispositivo. Embora muitas das características que você não entenda, você já conheça uma (da sua pergunta), a tensão direta (Vf) e você provavelmente encontre o limite de corrente e a máxima dissipação de energia na folha de dados.
Armado com aqueles que você pode descobrir a resistência em série, você precisa limitar a corrente para não exceder o limite de dissipação de energia do LED.

A lei de tensão de Kirchhoff fornece uma grande dica de que, como a tensão no LED é de cerca de 3,1 V (e a curva de corrente da folha de dados informa que você nunca pode aplicar 9 V), você precisa de outro componente do modelo agrupado no circuito.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Nota: a impedância interna da bateria mostrada acima é simplesmente especificada para facilitar o cálculo. Dependendo do tipo de bateria (primária ou recarregável), a resistência interna pode variar. Verifique a folha de dados da sua bateria.

O elemento desconhecido acima poderia ser simplesmente um pedaço de arame (nenhum elemento)?
Poderia .... mas podemos calcular os resultados facilmente.
Com dois elementos de tensão ideais (9 V e 3,1 V), os resistores devem ter 5,9 V através deles (circuito de tensão de Kirchhoff). O fluxo de corrente deve, portanto, ser 5,9 / 10,1 = 584 mA.
A energia dissipada no LED é (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 Watts. Como seu LED provavelmente possui apenas 300 mW, é possível ver que ele esquenta drasticamente e, com toda probabilidade, falha em segundos.

Agora, se o elemento desconhecido é um resistor simples, e queremos que a corrente através do LED seja, digamos 20 mA, temos o suficiente para calcular o valor.

A tensão do terminal da bateria seria (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 V A tensão do terminal do LED seria (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 V

Portanto, a tensão através do resistor desconhecido é de 5.698 e a corrente através dele é de 20 mA. Portanto, o resistor é de 5.698 / 0,02 = 284,9 Ohms.

Sob essas condições, as tensões do circuito se equilibram e o LED passa seu valor projetado de 20 mA. Sua dissipação de energia é, portanto, ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 mW .... espero que esteja dentro da capacidade de um pequeno LED.

Espero que isto ajude.

Sim, o LED provavelmente ficará danificado. Essa é a história curta.

Na realidade, a tensão da bateria diminui um pouco porque gera muita corrente (as baterias têm resistência interna que varia com o estado da carga, histórico de descargas, temperatura e outros fatores - talvez alguns ohms para uma bateria de 9V nova) e a tensão do LED aumentará (os LEDs aumentam a tensão com a corrente de forma não linear) até que os dois se encontrem exatamente (se você ignorar um pouco de queda nos fios).

Então, digamos que a tensão da bateria caia para 5V e a bateria está fornecendo 1,5A. Isso significa que a tensão direta do LED é de 5V e está dissipando 5V * 1,5A = 7,5W, o que significa que ela queimará muito rapidamente, assumindo que seja um pequeno LED indicador de 3 ou 5 mm.

Se o seu LED de 3.1V fosse um monte de dados de LED em paralelo e fosse capaz de manipular com segurança (digamos) 2A, por outro lado, a tensão da bateria cairia para algo como 3.1V (devido à resistência interna da bateria, igual ao anterior) e o LED acenderia com cerca de 6W de potência de entrada. É claro que a bateria se esgotaria rapidamente (na melhor das hipóteses - ou poderia ficar muito quente e possivelmente explodir violentamente. Alguns tipos, como baterias de NiCd ou certas baterias de lítio desprotegidas, podem ser mais perigosas do que outras.

Aqui está o que acontece: primeiro, conectei um LED verde corretamente a 9 V usando um resistor de 1 kΩ para capturar a tensão residual.

Então sem.

Surpreendentemente, depois, novamente com um resistor, o LED ainda funciona, mas notavelmente mais escuro.

Não tente fazer isso em casa, crianças ... exceto, diabos, por que não ... é ciência !

Por que acende brevemente amarelo / vermelho antes de "brilhar", eu não sei. Provavelmente, o resultado é diferente para cada tipo de LED.

Na prática, existem alguns resistores "ocultos" ou parasitas em seu exemplo hipotético que você não conhece. Para iniciantes, a bateria possui uma resistência interna em série. O LED também possui uma resistência, assim como toda a fiação do seu circuito. A tensão cai em todos esses resistores, mais a queda de tensão intrínseca do LED aumenta a tensão da bateria.

A única pergunta é: a que corrente isso acontece? Se estiver alto o suficiente, o LED irá cozinhar e queimar. Resistência adicional na forma de um resistor real em série com o LED evitará esse problema. Determinar o valor do resistor é uma oportunidade de aplicar a lei de Ohm.

Este diagrama, com volts no Xaxis e corrente no Yaxis, é usado para "resolver" graficamente a equação dos divisores de tensão de 2 componentes em série. Pode ser usado para divisor puramente resistivo, ou como aqui com diodo e resistor.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Coloque um segundo componente em série, para compartilhar a tensão. Por exemplo, você deseja que o LED trabalhe com segurança com seus 3,1 volts e tenha um RESISTOR para usar os desnecessários [9 - 3,1] = 5,9 volts. Em 10mA (que você pode ver como 100 ohms por volt), você precisa de 100 Ohms / Volt * 5,9 volts = 590 Ohms. Os valores comuns são 560 Ohms e 620 Ohms.

Você precisa de um circuito em série aqui: a fonte em 9 volts e, depois, DOIS componentes para compartilhar a tensão da bateria.

Agora vamos usar o mesmo gráfico IV que um nomógrafo para resolver divisores de tensão resistivos.

^{simule este circuito}

A resposta para sua pergunta do título é: O LED acenderá.

A previsão é que sua corrente esteja dentro dos limites mínimo e máximo do LED em questão.

Uma corrente baixa fará com que queime levemente, e a corrente nominal fará com que queime brilhantemente. Muita corrente soprará o LED.

Você limita a corrente ao valor desejado (geralmente de 15 a 20mA) colocando a resistência correta no circuito.

Use a lei de Ohm para resolver isso. R (ohms) = V (volts) / I (amperes).

Dentro de limites razoáveis, a tensão é bastante irrelevante para um LED, é a corrente que acende. Obviamente, você deve ter uma tensão suficiente para exceder a queda de tensão interna do LED na extremidade baixa.

Nem todos os suprimentos de 9 V são iguais. Alguns irão soprar o LED e outros não. (Depende da corrente de curto-circuito ou da resistência interna.)

9 V - 3,1 V = 5,9 V está 'ausente'. Isso cai dentro da fonte de 9 V, do fio e dentro do LED. (Essas são as resistências que causam a perda de tensão ou queda de tensão.)

É muito difícil soprar qualquer coisa sem calor (exceto a estática no MOS.) O calor leva tempo para se acumular (e liberar a fumaça. :-)

O calor que destrói o LED é devido à tensão de 3,1 V, resistência interna do LED, corrente (V / R) e tempo. Parte do calor (antes que a fumaça aconteça) é perdida para o meio ambiente. É por isso que os dissipadores de calor são usados ​​em alguns circuitos para evitar fumaça.

Na primeira aproximação, negligenciando as resistências internas, os LEDs têm características exponenciais de avanço de I / V. Na realidade, essas são as características da junção polarizada para a frente: dispositivos reais têm uma resistência interna em série, tipicamente alguns Ohms.

A queda de tensão "nominal" do LED é apenas um ponto nas características. Geralmente, a tensão que corresponde a 20 mA, ou uma corrente direta nominal determinada.

Ao colocar o led nos pólos da bateria, você cria um circuito em série que inclui uma fonte de tensão "ideal" de 9 V, o LED e a resistência interna da bateria (por exemplo, 2 Ohm)

O ponto de trabalho do seu LED é a interseção de suas características avançadas com uma linha de carga determinada pela tensão de fonte (9V) e pela resistência interna da bateria. A queda de tensão no seu LED será muito superior à nominal de 3,1 V.

A menos que o LED seja um dispositivo de alta corrente, a corrente excederá o valor nominal e o LED sofrerá ou soprará.

LEDs (e diodos em geral) são um pouco estranhos. Como uma primeira aproximação abaixo do limiar de tensão, nenhuma corrente pode fluir; sobre ela, não há restrição no fluxo de corrente.

Pense nisso como uma barragem, quando a água está abaixo da barragem, ela fica completamente bloqueada. Uma vez que o nível da água está acima do topo da barragem, seu fluxo é irrestrito; no entanto, você ainda perde a quantidade retida atrás da barragem.

Portanto, com um LED com um limite de 3.1V, se você aplicar 9V, você ainda terá 5.9V para gastar. Isso será usado pelos resistores no circuito, conforme descrito pela lei de Ohm, V = I * R. Se você não adicionou nenhum resistor, R é a resistência interna das baterias e a resistência de seus fios. Essas resistências internas são normalmente pequenas o suficiente para que você possa ignorá-las, mas neste caso elas são tudo o que você tem. Resistências pequenas e tensão fixa significam que a corrente será muito alta. O LED terá uma corrente máxima que pode sobreviver, em torno de 20mA para os LEDs típicos. Se você exceder isso, eles superaquecerão e se destruirão.

Como eu disse no início, isso é apenas uma aproximação de um LED; na prática, a queda de tensão aumenta com a corrente. No entanto, esse aumento não é enorme, geralmente se você estiver em uma situação em que precisa levar em consideração, então você está fazendo algo muito sensível, algo de alta potência ou está correndo muito perto dos limites dos componentes para começar. O aumento certamente não é suficiente para impactar o resultado final nesse cenário.

Tudo tem resistência. Período!

• Isso inclui baterias (ESR), diodos (Rs), indutores (DCR) Caps. (ESR) e até resistores (R);)
  • “Kirchhoff voltage loop (KVL)” ensina como usar essa “sobra de tensão”
    • isso ocorre depois que todas as tensões de alimentação são adicionadas ou subtraídas
    • com a soma de todas as partes em série, cada uma com resistência
  • portanto, o KVL ensina como calcular a taxa de fluxo ou corrente resultante resultante nas unidades de Amperes ou "Amperes" = 1000 miliamperes (mA)

• assim, esse "V restante" está na soma de todas as partes R em um loop.

  • quando é um bom fio condutor, geralmente (mas nem sempre) ignoramos a resistência e a queda de tensão.

• então I = V / R de cada parte após a tensão restante e a soma da resistência do loop expressa como uma razão.

• as partes que podem suportar MUITA potência devem ter R baixo (exceto na teoria da escola primária, dizemos que as baterias ideais têm R = 0)

• todas as semelhanças de diodos têm menor resistência acima da tensão limite, Vt, se classificado para mais potência, na tensão direta nominal Vf

O LED de 3V tem um limite em torno de 2,8V e pode ser de 3,1V +/- 10%, dependendo da ampla tolerância e, claro, da potência

 - for example
   -  a 300mA rated white LED (1W) has a bulk resistance less than 0.5 to 1 Ohm due to 50% MFG tolerances
   - a 9 V Alkaline battery actually has six (6) tiny 1.5V cells in series
   -  inside , each has about ESR= 1 Ohm (when new)
           - cheap carbon pile aka HEAVY DUTY cells are about 3 Ohms (new) so less powerful

Assim, com um LED branco de 1W e uma bateria alcalina de 9V, qual é a tensão "restante" e a corrente resultante?

• Como você escolhe R para limitar essa corrente?
• Como escolher a classificação de potência e o aumento da temperatura.

(9V-2.8V) / (6x1 + (0,5 a 1) + R) = 0,3A = 300 mA

resolver para R

Dica se R = 0, o LED fica brilhante e quente demais para sobreviver

As tampas têm ESR, mas como isolantes = dielétricos, elas bloqueiam a CC, mas conduzem a CA.