Los LED parecen auto-regularse automáticamente para lograr el voltaje ideal entre los terminales

La respuesta a su pregunta es "Sí", al menos en cierta medida. Un LED es un diodo, y los semiconductores tienen un comportamiento no lineal. Esas son palabras de fantasía que significan "no como una resistencia". En particular, el hecho de que no conducen una corriente (significativa) hasta que alcanzan un cierto voltaje es principalmente lo que ha encontrado. Los diodos de silicio tendrán alrededor de .6 a .7 voltios a través de ellos al conducir; lo mismo ocurrirá con la unión del emisor de base de un transistor. El germanio hace lo mismo en torno a .3 voltios. Los diodos Zener tienen este comportamiento a una tensión inversa nominal. Los LED hacen esto a aproximadamente 3 voltios (depende del color debido a los materiales y al dopaje).

Después de que la unión del diodo está conduciendo, si intentas aumentar el voltaje, el diodo intentará conducir más corriente. Eso es porque una vez que está conduciendo, actúa como si tuviera una resistencia de serie bastante baja. De hecho, un modelo simple de un diodo es una fuente de voltaje en serie con una pequeña resistencia. Si, en su circuito, hay alguna otra resistencia significativa (su 100k es más que suficiente), entonces el aumento de voltaje aparece en la resistencia de que , y el diodo simplemente consume más corriente.

He visto un LED rojo usado como regulador de voltaje. No era un regulador particularmente bueno, pero era suficiente para hacer el trabajo en esa aplicación.

voltaje y corriente directa se describen en la curva I / V:

Al limitar la corriente con la resistencia equivalente de 50 kOhm, probablemente coloque el LED en la región con aproximadamente 3V de voltaje directo (si eso es lo que midió).

En realidad el cálculo sería:

120Vrms - 3V = 50000R * i

i = 117/50000 = 0.00234A = 2.34mA

p.s .: IRL no usa un solo resistor en serie con 120 VCA, normalmente no están calificados para soportar un pico de 200V. Use multiples en serie. O no experimente con 120 VCA si es un principiante.

p.p.s .: las diferencias medidas IRL pueden explicarse por las tolerancias de resistencia, LED y voltaje de toma de CA. (de los comentarios: también, estará midiendo la CA rectificada. Muchos multímetros no lo manejan bien, ya que hacen un cálculo aproximado de los valores RMS considerando una onda sinusoidal).

Creé la "curva I / V aleatoria de Internet" que Wesley seleccionó para su respuesta. Sigo trabajando en ello ya que las curvas no son del todo correctas para una familia particular de LED, pero sigue siendo útil para explicar ciertos conceptos.

No estoy seguro de entender su pregunta, pero había publicado otra variante de la gráfica en un artículo 'Resistencia' de un LED que puede ser relevante.

Figura1.UnLEDsepuedeaproximarcomounaresistenciaconunafuentedevoltajefijo.

SiobservamosunacurvaLEDIVtípica,podemosverqueesaproximadamentelinealengranpartedesurangoútil.EstonospermitemodelarelLEDcomounafuentederesistenciayvoltaje.

Figura2.ModelodecircuitoequivalentedeLED.

EnlaFigura1,lalíneagrisestárazonablementecercadelacurvadeLEDde20mAa100mA.PodemoscalcularlaresistenciaquerepresentalaleydeOhmV=IR,peroenestecasoveremoselcambioenelvoltajeylacorrienteeneláreadeinterés.

$$R=\frac{ΔV}{ΔI}=\frac{3.5–2.0}{100m–0}=\frac{1.5}{100m}=15\Ω$$

TambiénpodemosverquelalíneacruzaelejeXenVf=2.0V.Nuestrocircuitoequivalenteparaestaregióndeinteréses(refiriéndosealaFigura2)R1=15ΩyV1=2.0V.

Encomparaciónconlasresistenciasparalelasde100kensumodelo,laresistenciade15inenmimodeloestáenanayelLEDsecomportarácomounafuentedevoltajeconstantecomodescubrió.

YaquetieneunPSUdebancoyunmultímetro,puedetrazarlacurvaI/VparalosLEDquetiene.Preparéunvideounpocolargoparaesoenlapágina IV-curves .

Olvida todos los gráficos de fantasía. En realidad es bastante simple. Si tiene un dispositivo que requiere aproximadamente \ $ 3 \: \ textrm {V} \ $ y lo está aplicando \ $ 120 \: \ textrm {V} \ $ a través de un resistor, entonces tiene una muy buena fuente actual. Así que el LED en sí no importará mucho. Es así de simple:

$$ I = \ frac {V_ {120 \: \ textrm {V}} - V_ {LED}} {R} $$

Esto funciona para:

$$ \ textrm {d} I = \ left [\ frac {-V_ {LED}} {R} \ right] \ textrm {d} V_ {LED} $$

Entonces, con \ $ R \ approx 50 \: \ textrm {k} \ Omega \ $, esto significa que si \ $ \ textrm {d} V_ {LED} = 1 \: \ textrm {V} \ $, entonces \ $ \ textrm {d} I = 60 \: \ mu \ textrm {A} \ $. Eso no es un gran cambio en la corriente para un cambio de voltaje completo en el voltaje del LED. Una corriente de \ $ 2.4 \: \ textrm {mA} \ $ se convertiría en \ $ 2.34 \: \ textrm {mA} \ $, o bien \ $ 2.46 \: \ textrm {mA} \ $, dependiendo de un cambio de voltio completo en el Valor requerido del LED. Eso no es mucha variación.

En términos de porcentaje, calcularías:

$$ \ frac {\ frac {\ textrm {d} I} {I}} {\ frac {\ textrm {d} V_ {LED}} {V_ {LED}}} = \ frac {V_ {LED }} {I} \ cdot \ frac {\ textrm {d} I} {\ textrm {d} V_ {LED}} = \ frac {3 \: \ textrm {V}} {2.4 \: \ textrm {mA} } \ cdot \ frac {-3 \: \ textrm {V}} {50 \: \ textrm {k} \ Omega} = - 0.075 $$

En resumen, un cambio del 33% en el voltaje del LED resultaría en un cambio de \ $ - 0.075 \ cdot 33 \% \ approx -2.5 \: \% \ $ en la corriente en el LED.

Así que eso es bastante buena regulación. La razón se debe principalmente al gran valor de resistencia que está utilizando aquí. Si fuera más pequeño, la regulación sería más pobre.

Otra razón por considerar es que los LED varían en su voltaje según la ecuación de Shockley:

$$ I_ {LED} = I_ {SAT} \ cdot \ left (e ^ {\ frac {V_ {LED}} {n V_T}} - 1 \ right) $$

O,

$$ \ textrm {d} V_ {LED} \ approx \ frac {n V_T} {I_ {LED}} \ textrm {d} I_ {LED} $$

Aquí, con \ $ V_T \ approx 26 \: \ textrm {mV} \ $ y \ $ n \ approx 2 \ $, esperaría un cambio en el LED de \ $ 50 \: \ textrm {mV} \ $ Tensión para duplicar la corriente a través de ella. Eso no es un gran cambio de voltaje para un cambio bastante significativo en la corriente a través del LED. Y para obtener ese tipo de cambio, también tendría que duplicar la corriente a través de \ $ R \ $. Y sabes que eso no puede pasar. Entonces, el resultado es que solo hay un cambio muy modesto en el voltaje a través del LED, incluso con un cambio significativo en la corriente a través de él.

Esos gráficos de fantasía te muestran este efecto. Y eso tomaría el control y explicaría las cosas, si tuviera un voltaje mucho menor para disminuir. Pero en su caso, incluso si no fuera la ecuación de Shockley sino algún otro comportamiento, tendría una buena regulación debido a ese enorme voltaje que está arrojando. También tendrías una buena regulación con una bombilla de bajo voltaje, por ejemplo. Entonces, si bien este efecto explicaría una buena regulación con una fuente de bajo voltaje, no es la razón aquí.

No se requieren curvas. Es solo que tienes MUCHO margen de voltaje aquí y esto explica una buena regulación.

Si necesita ver esto de otra manera, solo imagine un enorme voltaje de \ $ 1,000,000 \: \ textrm {V} \ $ a través de una resistencia de \ $ 100 \: \ textrm {M} \ Omega \ $. La corriente será \ $ 10 \: \ textrm {mA} \ $, ¿verdad? Supongamos que tiene un LED insertado allí? ¿Cuánto cambiaría el actual si el LED necesitara \ $ 10 \: \ textrm {V} \ $ en lugar de solo \ $ 3 \: \ textrm {V} \ $? No mucho, ¿verdad? Debido a que el voltaje de la fuente es muy grande, y debido a que la resistencia de caída debe disminuir mucho del voltaje, las variaciones en el voltaje del LED casi no tienen ningún efecto en la corriente a través del LED.

Es tan simple como eso.

Transistor lo clavó en un comentario. El LED no es bueno para autorregularse, es lo contrario. El LED es tan malo en la autorregulación que convierte la resistencia en un regulador útil.

Un ejemplo extremo

Piense en los emisores de luz en general . Los incandescentes son lineales, asterisco *. Sabes de LED, no muy lineal. Incluso menos lineales son la familia de descarga de arco (fluorescente, neón, sodio, mercurio, haluro): aislantes hasta que el arco golpea, y luego un cortocircuito. Una cosa que todos los emisores de luz tienen en común es que funcionarían bastante bien con corriente constante.

Tomemos un ejemplo más extremo. Todo lo que tiene es una línea de distribución de 2400 VCA a través de su depósito de chatarra, una bombilla y un zócalo de sodio de alta presión de 400 vatios (idealmente 4A a 100 V-ish) y una resistencia enorme de 1k ohm 20kw. Lo cableas en serie Line -- Resistor -- HPS bulb -- Line . ¿Lo que pasa?

En estado de reposo, la resistencia de la bombilla es infinita, 0 flujos de corriente, la resistencia cae a 0 V, por lo que 2400 V se presentan en el zócalo. Esa es la tensión de arco de una bombilla HPS. Ahora la bombilla está encendida y está demasiado corta, o lo suficientemente cerca de una.

Ahora que la corriente está fluyendo y la bombilla está intentando emular un cortocircuito, casi toda la caída de voltaje está en la resistencia: E = IR 2400V = I * 1000ohm. Estamos fluyendo como máximo 2.4 amperios -5%. Esto está dentro del rango de trabajo de una bombilla HPS de 400 vatios, por lo que está generando 200-230 vatios de ictericia amarilla. El deseo de la bombilla de quedarse en un punto muerto es hacer que la resistencia sea un mejor regulador. Sin la resistencia, la bombilla se derretiría incluso a un voltaje cercano a su voltaje operativo, por ejemplo. 120V.

Este ejemplo no es extremo debido a la alta tensión (es solo una tensión de trabajo de 24x en lugar de su 40x). Es extremo porque las luces de descarga son extremadamente malas en la autorregulación.

Lo mismo con LED

Olvídate de todas esas matemáticas complicadas (guíenle un ojo a Jonk aquí), el ejemplo de arriba es lo esencial. La resistencia es una impedancia tan grande que es improbable que incluso una desviación significativa en las características del LED (por ubicación, temperatura, edad) cambie las matemáticas (si es que se podría llamar matemáticas).

Esto funciona porque la tensión de entrada es un múltiplo tan grande de la tensión de trabajo del LED, que la resistencia está haciendo todo el trabajo. Si estuviéramos corriendo mucho más cerca (3V LED en suministro de 12V o incluso 5V), entonces necesitamos el lápiz afilado y lo resolvemos en detalle, como lo discuten Jonk y Transistor.

Por supuesto, es un desperdicio quemar toda esa energía en una resistencia. Pero el funcionamiento de una bombilla incandescente no se considera un desperdicio, y son lineales. Algunas veces me he preguntado sobre el uso de una bombilla incandescente como (efectivamente) el balasto para un LED o luz de descarga. Se complementan mutuamente, las fortalezas de uno ayudan a las deficiencias del otro.

* Los incandescentes no iluminados tienen una resistencia muy baja (casi corta), su resistencia aumenta bruscamente a medida que comienzan a brillar, estableciéndose a una resistencia relativamente constante a través de su rango de trabajo. Si les aplica voltaje constante a ellos, inicialmente aumentan la corriente, esto se denomina corriente de entrada . Esto hace que los electricistas se vuelvan locos: obtienes ese bonito relé de control de 20A, y la letra pequeña dice "5A de tungsteno" debido a la corriente de entrada. Argh! Por otro lado, si condujes a los incandescentes de corriente constante , se comportarían muy bien: eliminar el impacto de la potencia de arranque prolongaría significativamente su vida útil. Y serían más fáciles de aprovisionar, en realidad podría obtener 20A de ese relé. Desafortunadamente, la "clasificación de tungsteno" está aquí para quedarse, también se aplica a los balastos electrónicos para la iluminación de descarga y a los controladores LED ... su inicio también causa una avalancha de energía (tapas de carga, etc.) No se podría pensar que sería tan difícil cambiar una luz encendida ...

Felicitaciones. Acabas de descubrir la "brecha de la banda". Es el rango de energía que no existe ningún estado de electrones. El voltaje es el potencial necesario para desprender electrones de sus órbitas en una escala masiva para que puedan rozar el semiconductor y también dejar agujeros, lo que permite que se deslice más electrones.

En las tecnologías de silicio NP, esa brecha de banda es de aproximadamente 0.7V. En los LED, ese intervalo de banda se ajusta de modo que la tensión a la que el efecto fotoeléctrico se encuentra en una tensión específica y, por lo tanto, en una energía cuantificada específica para los fotones y, por lo tanto, en la longitud de onda y, por lo tanto, en el color. La corriente controla cuánto ocurre esto y, por lo tanto, el brillo del LED.

Eso es solo sobre la física que conozco sobre estas cosas, ya que yo mismo no soy físico.

El problema con los métodos de cálculo en Ingeniería Eléctrica es que no aceptan la presencia de funciones de Piecewise en modelos matemáticos no aproximados de los circuitos. Piensan que es así cuando estamos haciendo aproximaciones y completamente ausentes cuando hacemos Análisis Complejos. Eso es cierto cuando se trata de circuitos pasivos, donde todo es lineal (obedece a las Transformaciones Lineales). Incluso lo que parece ser un cambio combinatorio en la corriente o el voltaje se resuelve simplemente mediante convenciones de signos (no es donde la corriente va a la izquierda o a la derecha, es si va o deja un solo terminal de un componente).

Pero es un mundo diferente cuando se trata de circuitos "activos". Las funciones por partes realmente existen allí, ya sea que utilice aproximaciones o funciones complejas muy precisas. Puede tener 2 dispositivos activos en series cuyas ecuaciones dicen que tendrán una corriente diferente a través de ellos y lo que sea que haga, simplemente no puede hacer que estén de acuerdo o "converjan" en una sola corriente. Tienes que elegir uno. Es lo mínimo. ¿Esas simulaciones SPICE en las que confías tanto? Ya utilizan funciones de Piecewise, o la mayoría de las simulaciones de sus circuitos digitales nunca convergerán y terminarán.

Debido a esto, su circuito anterior tendrá la corriente:

$$ I_T = I_s (e ^ (\ frac {V_T - I_T R} {n V_t} - 1)) $$ Es el diodo el que controla la corriente aquí y sí, los diodos son componentes activos, ya que rompen las ecuaciones lineales definidas individualmente.

Así que simplemente tenemos:

$$ I_T = I_s (e ^ (\ frac {V_T - I_T R} {n V_t} - 1) $$ $$ I_T R = V_T - n * V_T * ln (\ frac {I_T} {I_S} + 1) $$ $$ I_T = \ frac {V_T - n * V_T * ln (\ frac {I_T} {I_S} + 1)} {R} $$ $$ I_T = \ frac {V_T - V_D} {R} $$

El único problema por el que no es exacto es que usamos una V_D bastante constante de 0.7V, en lugar de usar siempre \ $ n * V_T * ln (\ frac {I_T} {I_S} + 1) \ $. Luego, nuevamente, la ecuación de Shockley TAMBIÉN es una aproximación, pero puedes usar ecuaciones más complejas.

TAMBIÉN, no compre productos de Lees's Electronics, podrían confundirse al darle partes reservadas para mí y usted podría terminar con componentes defectuosos.

No haría eso en un modelo de producción. Los LED no están clasificados para voltaje inverso de 120 VCA (pico de 170 V). Lo único que mantiene la tensión inversa sana en LED1 es el hecho de que LED2 funciona y mantiene la tensión en 3v. Si el LED2 tiene un problema, repentinamente el LED1 está mirando la corriente inversa máxima de 170 V, kaboom.

Series cada LED con un diodo bueno para una corriente inversa máxima de 170V.

Dicho esto, planeo hacer exactamente esto con 75VDC, que es incluso más resistente que 120V AC, pero la corriente inversa no es un problema en ese caso.