Caída de voltaje diferente en el circuito en serie y en paralelo con resistencia

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Figura 1. (a) Solo una resistencia. (b) Serie LED. (c) LEDs paralelos.

  

P: ¿Cómo es que obtengo un voltaje diferente después de la resistencia, dependiendo de cómo estén conectados los LED? ¿Por qué el comportamiento de la resistencia no es constante?

Primero considere la resistencia por sí misma - Figura 1a. De la Ley de Ohm, podemos calcular la corriente a través de ella como \ $ I = \ frac {V} {R} = \ frac {9} {10k} = 0.9 ~ mA \ $. Este es el máximo que podemos obtener y agregar LEDs lo reducirá.

Mirando la Figura 1b, puedes ver que la misma corriente atraviesa todos los elementos del circuito.

Figura2.UngráficotípicodeLEDdecorrientefrenteavoltajedirecto.Tengaencuentaqueinclusoapequeñascorrientes(<1mA)lacaídadetensióndirectanocambiamucho.

EnlaFigura2podemosverquelalecturade1.65VqueestárecibiendoatravésdecadaunodelosLEDescorrecta.

Ahora,¿quésucedecuandoconectaslosLEDenparalelo?Aúnestaremoslimitadosaunmáximode0.9mAatravésdelaresistencia,peroahoraestotienequedividirseendosdireccionesatravésdeD3yD4.Obtendránunos0,45mAcadauno.VolviendoalaFigura2,podemosverquetodavíacaeránalrededorde1,6Vomenos.

TengaencuentaqueagregarlosLEDreducelatensiónenlaresistenciay,porlotanto,reducelacorrientedisponible.ParalaFigura2b,lacorrienterealserá\$\frac{9-3.3}{10k}=0.57~mA\$.ParalaFigura2cserá\$\frac{9-1.65}{10k}=0.735~mA\$,loqueayudaunpococuandosecompartelacorriente.

  

[DelcomentariodeOP:]Volviendoalasanalogías,amenudoveoqueelcircuitosedescribecomountubo,lacorrienteeselagua,labombaeselvoltajeylamangueradejardíneslaresistencia,bajandoelvoltajeylimitandolacorriente.

Laanalogíadelaguanoesgenial,perointentémoslo.Paraparecerseauncircuitoeléctrico,elaguatendráquefluirenuncircuitocerrado,comounsistemadecalefaccióncentraldeaguacaliente.Labombadeaguacalienteaumentalapresiónenlasalidadelabomba(labateríaaumentaelvoltaje).Nosalimentamosatravésdelastuberías(laresistencia)adosválvulasderetenciónqueconectanenserieoenparalelo.

Figura2.Laválvuladeretencióneseldiododelplomero.Elaguasolopuedefluirenunadirección.Serequiereunaciertapresiónparasuperarelresorte.Estocausaunacaídadepresiónatravésdelaválvula,perounavezquelaválvulaestáabierta,lacaídadepresiónnocambiamuchoinclusoaaltascorrientes.Fuente:Modificadode Gentec image.

Ahora pongamos algunos números en nuestro sistema. La bomba aumenta la presión a 9. (Piense psi, bar, pascales, pulgadas de mercurio o lo que quiera). Las válvulas se abrirán a 1.65. Si los canalizamos en serie como en la Figura 1b, debería quedar claro que si las válvulas se abren, la lectura de presión en la parte superior de D2 será de 1.65 y por encima de D1 será de 3.3. Si los conectamos como se muestra en la Figura 1c, ambos se abrirán cuando la presión llegue a 1.65.

  

1) ¿Por qué, cuando está en una serie, el primer LED no consume 2 V y el segundo LED no se queda solo con el resto?

Los LED y las resistencias no "consumen" voltaje de la misma manera que su manguera no consume presión. El voltaje cae o "disminuye el voltaje" a través de la resistencia o el LED de la misma manera que se producen pérdidas de presión en el sistema de agua.

  

2) Cuando dice a través de la resistencia, quiere decir que esta es la corriente en su interior, pero después de eso, los LED los bajan, porque también son, de hecho, resistencias, y es por eso que obtienen 0.45 mA cada uno, en lugar de los 0.57mA?

Si bien tienen resistencia, no las llamamos resistencias porque no son lineales como lo es la válvula de retención. Además, la corriente no se "baja" porque lo que deja la batería en un terminal debe volver al otro.

Espero que eso ayude.

Tiene que ver con la naturaleza logarítmica de la corriente en función de la tensión en un diodo con polarización directa.

Dado que son elementos no lineales, el voltaje aumenta logarítmicamente al aumentar la corriente (y la corriente aumenta exponencialmente al aumentar el voltaje).

Usted está subestimando los LED, en ambas situaciones. Así que los diodos apenas están encendidos. Probablemente necesitan más como 5-15mA cada uno.

Echemos un vistazo a cada caso.

Series case:  (9-3.3)V/(10Kohm) = .57mA through both LED's
Parallel case: (9-1.65)V/(10Kohm) = .7mA total, or .35mA per LED

En ambos casos la corriente es muy baja.

Para probarte esto, comienza con la ecuación de diodo básica:

$$ I_d = I_s * (e ^ {qV_d / kT} -1) $$ Volver resolviendo la ecuación de diodo ideal para voltaje en términos de corriente: $$ V_d = ln (I_d / I_s) * kT / q $$

Puede ver que se necesita un gran aumento de la corriente para aumentar mucho el voltaje. También puedes ver este gráfico para un LED aleatorio.

Simplemente conectemos nuestros números de antes (es difícil ver la diferencia):

Series - .57mA => 1.0423V
Parallel - .35mA => 1.02V

Este es un cambio muy bajo en el voltaje. Dado que es un LED aleatorio (simplemente busqué en Google 'voltaje de corriente logarítmica del LED', obviamente no coincidirá con sus números. Pero la tendencia será similar entre todos los diodos.

Está viendo el elemento incorrecto en el circuito por qué la tensión es diferente en ese nodo.

Los LED en sí mismos son los que tienen "resistencia ajustable", la resistencia es constante pero su configuración de LED está cambiando, y los LED son dispositivos no lineales (lo que significa que pueden cambiar dependiendo de varios factores).

Los 3.3V después de la resistencia son los dos LEDs de caída de tensión directa en una fila, cuando los LED están en serie, y el 1.65V es una sola caída de LED hacia adelante. Supongo que estos son rojos. Una cosa más: 10k ohmios, ya que la resistencia de lastre es muy alta, por lo que deberían ser muy tenues. No sé por qué eligió eso, pero si desea ver LED más brillantes, use una resistencia como 1k o 1.5k Ohms.

La resistencia sigue siendo la misma resistencia, pero la forma en que configura los LED cambia la carga y, por lo tanto, la corriente a través de la resistencia, que es la forma en que se ve la diferencia de voltaje. Cuando los LED están en serie, comparten la misma corriente y sus voltajes directos se combinan. Si tuviera que calcular qué resistencia utilizar para una corriente establecida, use el voltaje restante entre la fuente y todos los voltajes de la serie LED (9v - 3.3v = 5.7v) y use la ley de Ohms para resolver la corriente requerida. Digamos que 5mA es el objetivo actual:

R = V / I, R = 5.7 / 0.005 = 1140 Ohms.

Si tenía los dos LED en paralelo, sabe que sus voltajes directos en paralelo son "los mismos" (esto no es realmente cierto, se basa en la tolerancia de manejo, la temperatura, etc.), por lo que dice el voltaje en el nodo es 1.65V. Si queremos que 5mA pasen a través de cada LED, necesita 10mA a través de la resistencia, y luego esperamos que los LED compartan igualmente 5mA cada uno. La resistencia en este caso, se encuentra así:

R = V / I, R = (9-1.65) /0.01 = 7.35V / 0.01 = 735 Ohms.

¿Ves cómo, en lugar de esperar que la resistencia original haga que los LED actúen de la misma manera, trabajamos hacia atrás una vez que conocemos nuestra configuración de LED? Esto se debe a que los LED NO son dispositivos completamente estáticos / invariables. De hecho, a medida que aumenta la corriente directa, su voltaje directo también lo hace. Consulte las hojas de datos para conocer la caída de tensión directa del LED para una corriente directa dada.

Cuando un LED tiene polarización directa, tiene una caída de voltaje directa casi constante. En su caso, eso es aproximadamente 1.65 voltios.

Cuando los dos LED están en paralelo, hay una caída de 1.65 voltios en uno o en ambos LED, ya que están conectados a los mismos dos puntos. Con una caída de 1.65 voltios en los LED, esto deja aproximadamente 7.35 voltios a través de la resistencia. Usando la ley de Ohm, podemos calcular que alrededor de 0.7 mA fluirán a través de esa resistencia. Se dividirá aproximadamente con la mitad pasando por cada LED. Eso es bastante tenue.

Con los dos LED en serie, hay una caída de 1.65 voltios en cada uno. Eso deja 5,7 voltios a través de la resistencia. Usando la ley de Ohm, calculamos que aproximadamente .5mA fluirá a través de los dos LED (toda la corriente fluye a través de ambos LED). Lamentablemente. .5mA es apenas suficiente para encender un LED.

La resistencia está actuando exactamente igual en ambos casos. La relación de corriente a voltaje es idéntica en ambos casos.

Para que circule más corriente a través de los LED, necesita usar una resistencia más pequeña.