Warum brauchen wir Widerstände in LED

Ich habe recherchiert und es heißt, dass Widerstände den durch die LED fließenden Strom begrenzen.

Aber diese Aussage verwirrt mich, weil wir wissen, dass in einer Reihenschaltung der Strom an jedem Punkt konstant ist. Wie kommt es, dass ein Widerstand den Stromfluss begrenzen kann?

LEDs haben eine ziemlich konstante Spannung, wie 2,2 V für eine rote LED, die mit dem Strom nur geringfügig ansteigt. Wenn Sie diese LED ohne Vorwiderstand mit 3V versorgen, versucht die LED, eine Spannungs- / Stromkombination für diese 3V einzustellen. Es gibt keinen Strom, der zu dieser Art von Spannung passt, theoretisch wären es 10s, vielleicht 100s Ampere, die die LED zerstören würden. Und genau das passiert, wenn Ihr Netzteil genügend Strom liefern kann.
Die Lösung ist also ein Vorwiderstand. Wenn Ihre LED 20 mA benötigt, können Sie im Beispiel die rote LED berechnen

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

Sie denken vielleicht, dass die direkte Versorgung mit 2,2 V auch funktioniert, aber das stimmt nicht. Der geringste Unterschied in der LED oder der Versorgungsspannung kann dazu führen, dass die LED sehr schwach oder sehr hell leuchtet oder sogar zerstört wird. Ein Vorwiderstand stellt sicher, dass geringfügige Spannungsunterschiede den Strom der LED nur geringfügig beeinflussen, sofern der Spannungsabfall am Widerstand groß genug ist.

Der Punkt ist, dass eine LED sowieso eine Diode ist und Dioden einen sehr kleinen Innenwiderstand haben (natürlich in "Vorwärts" -Richtung). Wenn also nichts anderes in Reihe geschaltet ist, ist der Gesamtwiderstand sehr niedrig und der Strom ist kaum begrenzt und dieser kaum begrenzt kann die LED beschädigen und den Stromkreis, der sie versorgt, überlasten.

Also ja, Sie haben vollkommen Recht, dass der Strom an jedem Punkt der Schaltung gleich ist, wenn Elemente in Reihe geschaltet werden, aber wenn Sie einen Widerstand hinzufügen, erhöhen Sie den Gesamtwiderstand der Reihe und dies verringert den Strom.

Immer mit den komplizierten Antworten ;-). Schau es dir so an. Was passiert, wenn Sie einen Draht über die Pole einer Batterie führen? In einer perfekten Welt gibt es unendlich viel Strom, der den Draht zum Schmelzen bringt. Wir nennen das einen Kurzschluss. Da Dioden für einen minimalen Durchlasswiderstand ausgelegt sind, erzielen wir den gleichen Effekt wie Kurzschlüsse. Setzen Sie dort einen Widerstand ein, um einen Widerstand gegen den Strom zu bieten, um ihn von unendlich zu begrenzen

Stell dir das vor

• Sie hatten einen wasserbetriebenen Motor, dessen Drehzahl proportional zum Stromfluss war.

• Der Motor selbst bot nur einen geringen Widerstand gegen den Stromfluss - Sie mussten den Stromfluss außerhalb einer Pumpe steuern.

• Sie haben eine Pumpe, die in der Lage ist, 10 Liter pro Sekunde durch ein 10-Meter-Rohr zum Motor und dann durch den Motor und dann durch ein weiteres 10-Meter-Rohr zur Saugseite der Pumpe zu pumpen. (Die Durchflussrate war abhängig vom Druck der Pumpe und vom Leitungswiderstand - dh NICHT von einer Verdrängerpumpe.

• Als die Pumpe betrieben wurde, stellten Sie fest, dass der Motor VIEL zu schnell lief und dass der Durchfluss auf etwa 1 Liter / Sekunde begrenzt werden musste.

Um die Anforderung zu erfüllen, können Sie ein Reduzierventil in den Kreislauf einbauen, um den größten Teil des Drucks abzusenken und den Durchfluss zu begrenzen. Das Ventil arbeitete so, dass ein bestimmter Druck bei einer bestimmten Durchflussrate und in einstellbarer Höhe über ihm abfiel. (Hier geht es darum, wie viele rel. Wasserventile funktionieren).

Sie könnten das Ventil ÜBERALL im Kreislauf platzieren und es würde das gewünschte Ergebnis erzielen. Es kann sich am Pumpeneinlass oder -auslass oder am Motorauslass oder -einlass oder an einer beliebigen Stelle in einem der Rohre befinden.

Dies ist eine enge Analogie zu Ihrer LED-Frage. Der Strom muss begrenzt werden, da er ohne Begrenzer zu hoch ist. Der Begrenzer kann an einer beliebigen Stelle im Stromkreis platziert werden.

Mit der Batterie - Widerstands - LED - Schaltung

Die LED hat einen bestimmten definierten Spannungsabfall bei einem gewählten Strom.
Um genau zu sein, sagen wir, dass die LED bei 20 mA genau 3,00 Volt abfällt. Dies ist typisch für einige moderne LEDs.
Wenn wir die LED mit 20 mA betreiben möchten, MÜSSEN wir dafür sorgen, dass 3 V abfallen - nicht mehr und nicht weniger.
Wenn wir die LED mit 9V betreiben wollen, MÜSSEN wir N = 9-3 = 6B irgendwie "loswerden".
Der Widerstand macht das.
Um 6 V bei 20 mA abzusenken, ist ein Widerstand von R = V / I = 6 / 0,02 = 300 Ohm erforderlich.
In diesem Beispiel wird eine 9-V-Batterie + ein Widerstand + eine LED mit 20 mA betrieben. Der Widerstand kann vor oder nach der LED platziert werden. Der Strom wird an beiden Stellen darüber geleitet.

Es ist für diese Frage nicht relevant, aber äußerst wichtig zu wissen, dass Ihre Aussage das ist

• "Wir kennen diese Serienschaltung, der Strom ist an jedem Punkt konstant."

ist falsch.

Es gibt viele Strecken, auf denen das nicht stimmt, aber auch viele Strecken, auf denen es nicht stimmt.
In Gleichstromkreisen mit nur resistiven Bauteilen, wie dieser 1 LED, 1 Widerstandsschaltung, ist es dann richtig. ABER wenn reaktive Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren oder bestimmte andere nichtlineare Elemente vorhanden sind, ist dies oft NICHT der Fall.

Konzentrieren wir uns auf das, was hier wichtig ist: Die LED-Kennlinie (die eine Diode ist). Bitte schauen Sie sich dieses Bild aus Wikipedia an. Wie Sie sehen, steigt der Strom bei positiven Spannungen an der Diode exponentiell an. Stellen Sie sich vor, Sie schließen Ihre LED jetzt an ein Netzteil ohne Widerstand an. Sie müssten die genaue Spannung an der Diode einstellen, um den genauen Strom zu erhalten, den Sie zum Aufleuchten der LED benötigen. Wenn Ihr Netzteil aus irgendeinem Grund etwas über die von Ihnen benötigte Spannung ansteigt, ist der Strom exponentiell höher als zuvor, was Ihre Diode beschädigen kann (es wird!). Wie kann uns ein Widerstand bei diesem Problem helfen? FEEDBACK!Eines der wichtigsten Konzepte in der Elektronik! Kehren wir zu unserem Beispiel zurück und fügen Sie einen Widerstand in Reihe mit der Diode und der Stromversorgung hinzu. Jedes Mal, wenn Ihr Netzteil seine Nennspannung überschreitet, erhöht die Diode ihren Strom wieder exponentiell. Da der Strom jedoch höher wird, nimmt auch die Spannung über dem Widerstand ab, was bedeutet, dass die Spannung über der Diode abnimmt und das Netzteil kompensiert Spannungserhöhung.

Eine LED ist eine Diode aus einem Halbleitermaterial, die Lichtphotonen erzeugt, wenn Strom durch das Material fließt. Je mehr Strom durch die LED fließt, desto mehr Licht wird die LED abgeben, desto heller wird sie. Es gibt jedoch eine Obergrenze, die die Strommenge ist, die ausreicht, um die LED zu beschädigen.

Eine LED widersteht dem durch sie fließenden Strom nur wenig. Der größte Teil des geringen Widerstands, den es bietet, stammt aus dem Energieverlust des emittierten Lichts, und die Photonenerzeugung ist so effizient, dass der Widerstand vernachlässigbar gering ist. Wenn jedoch der Strom zunimmt und die Lichtmenge zunimmt, fällt die LED an einem bestimmten Punkt aus, da die durch die LED fließende Strommenge zu Materialfehlern führt. Bei ausreichend großen Strommengen kann eine katastrophale Materialverdampfung zu einer kleinen Explosion in der LED-Außenhülle führen. Bei den niedrigeren Strompegeln in 3,3 V- oder 5 V-Digitalschaltungen ist es am wahrscheinlichsten, dass das Halbleitermaterial ausfällt und aufhört zu leiten und die LED nicht mehr leuchtet.

Wie wirkt sich die Stromspannung auf die Stromaufnahme einer LED aus? Da eine LED eine Art Diode ist, beschreibt die Shockley-Diodengleichung den Strom, den eine Diode bei verschiedenen Spannungspegeln zulässt. Die Gleichung zeigt, dass die Ergebnisse der Shockley-Funktion für einen bestimmten Spannungsbereich einer Exponentialkurve folgen. Dies bedeutet, dass kleine Spannungsänderungen große Stromänderungen bewirken können. Wenn Sie also eine LED in einem einfachen Stromkreis verwenden, dessen Spannung höher als die Durchlassspannung der LED ist, kann die LED überraschenderweise mehr Strom als empfohlen aufnehmen, was zum Ausfall der LED führt.

Siehe Wikipedia-Thema LED-Schaltung sowie Wikipedia-Thema Shockley-Diodengleichung .

Die Idee ist also, die LED-Schaltung so zu konstruieren, dass die durch die LED fließende Strommenge begrenzt wird. Wir möchten ausgleichen, dass genügend Strom vorhanden ist, um die gewünschte Helligkeit zu erreichen, ohne dass das LED-Material ausfällt. Die gebräuchlichste Methode zur Strombegrenzung besteht darin, der Schaltung einen Widerstand hinzuzufügen.

Eine LED sollte ein Datenblatt haben, das die elektrischen Eigenschaften und Toleranzen der LED beschreibt. Zum Beispiel siehe dieses Datenblatt Modell Nr .: YSL-R531R3D-D2 .

Die ersten Eigenschaften, an denen wir interessiert sind, sind (1) der maximale Strom, den die LED aushalten kann, bevor ein Materialfehler möglich ist, der zum Ausfall der LED führt, und (2) der empfohlene Strombereich. Diese und andere Maximalwerte für eine typische rote Standard-LED (verschiedene LEDs haben unterschiedliche Werte) sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

In der Tabelle aus dem Datenblatt für diese rote Standard-LED sehen wir, dass der maximale Strom 20 mA beträgt, wobei der empfohlene Bereich 16 mA bis 18 mA beträgt. Bei diesem empfohlenen Bereich handelt es sich um den Strom, mit dem die LED am hellsten ist, ohne dass das Risiko eines Materialversagens besteht. Wir sehen auch, dass die Nennverlustleistung 105 mW beträgt. Wir möchten sicherstellen, dass wir bei unserem LED-Schaltungsdesign innerhalb dieser empfohlenen Bereiche bleiben.

In der nächsten Tabelle finden wir einen Durchlassspannungswert für die LED von 2,2 V. Der Wert für die Durchlassspannung ist der Spannungsabfall, wenn Strom durch die LED in Durchlassrichtung von Anode zu Kathode fließt. Siehe Was ist Vorwärts- und Rückwärtsspannung beim Arbeiten mit Dioden? .

Wenn wir diese LED in einem Stromkreis mit 2,2 V und einem Strom von 20 mA verwenden, verbraucht die LED 44 mW, was gut in unserer Sicherheitszone für die Verlustleistung liegt. Wenn sich der Strom von 20mA auf 100mA ändert, ist die Verlustleistung 5-mal höher oder 220mW, was deutlich über der Nennverlustleistung der LED von 105mW liegt, sodass ein Ausfall der LED zu erwarten ist. Siehe Was passiert mit meiner LED, wenn ich zu viel Strom zuführe? .

Um den Strom durch die LED auf die empfohlenen Werte zu reduzieren, wird ein Widerstand in die Schaltung eingeführt. Welchen Widerstandswert sollen wir verwenden?

Wir berechnen einen Widerstandswert mit dem Ohmschen Gesetz V = I x R. Wir werden jedoch eine algebraische Transformation durchführen, da wir nach Widerstand statt nach Spannung suchen und stattdessen die Formel verwenden möchten R = V / I.

Der Wert für I, Strom in Ampere, ist ziemlich offensichtlich. Verwenden Sie einfach das empfohlene Minimum von 16 mA oder 0,016 A aus dem LED-Datenblatt in der transformierten Formel. Aber welchen Wert sollten wir für Volt V verwenden?

Wir müssen den Spannungsabfall des Widerstands verwenden, der den Beitrag des Widerstands zum Gesamtspannungsabfall der gesamten Schaltung darstellt. Wir müssen also den Spannungsabfallbeitrag der LED von der Gesamtstromkreisspannung subtrahieren, um den Spannungsabfallbeitrag des Widerstands zu bestimmen. Der Spannungsabfall einer LED ist der Vorwärtsspannungswert, der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung von Anode zu Kathode aus der obigen Tabelle.

Für ein Standard-Raspberry-Pi-Projekt, das die 3,3-V-Schiene als Stromquelle verwendet, wäre dies die Berechnung (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

Warum wird ein Widerstandswert wie 200 Ohm normalerweise verwendet, wenn die Berechnungen 69 Ohm anzeigen?

Die einfache Antwort ist, dass ein 200-Ohm-Widerstand in vielen Experimentierkits enthalten ist. Wir möchten einen gemeinsamen Widerstand verwenden, wenn das von der LED ausgestrahlte Licht nicht merklich abnimmt.

Wenn wir also von einem 69-Ohm-Widerstand zu einem 200-Ohm-Widerstand wechseln, wie ändert sich dann der Strom? Wieder verwenden wir dieses Mal das Ohmsche Gesetz, um nach Strom im Stromkreis zu suchen , I = V / Roder 3.3v / 200 ohms = .0165Awenn wir uns das LED-Datenblatt ansehen, sehen wir, dass dieser Wert im empfohlenen Bereich von 16 mA bis 18 mA liegt, sodass die LED ausreichend hell sein sollte.

Einfach gesagt, die LED hat einen niedrigen Widerstand, wenn sie nur mit einem Battary verbunden ist, ist der durch sie fließende Strom sehr hoch (I = V / R). Ein hoher Strom bedeutet mehr Verlustleistung im Widerstand der kleinen LED, was zum Verbrennen der Diode führt (thermisch), weil das Material eine sehr niedrige Wärmeübertragungskonstante hat.

Man beachte, dass die Verlustleistung = (I ^ 2 × R) ist.