No entiendo por qué nos importa el voltaje y la corriente suministrada a los componentes, ¿por qué no solo la potencia, no importa cuánto es la corriente y el voltaje?
Por ejemplo: un LED rojo necesita 2V para funcionar, pero ¿por qué? ¿Por qué no decimos que la función del LED está en - solo asumiendo - 10 W, cualquiera que sea la combinación de voltaje y corriente?
Hay una idea interesante en esta pregunta: conocer el consumo de energía es suficiente para determinar el voltaje y la corriente.
De hecho, solo hay una solución con un consumo de energía determinado para componentes discretos. Una resistencia de 1 \ $ \ Omega \ $ consumirá 1W cuando se ejecuta a 1V y 1A. Para un diodo, el punto de operación se puede encontrar en las curvas IV incluso si no es sencillo.
Para un condensador, también podemos determinar a qué voltaje corresponde un almacenamiento de energía dado que sería igual a \ $ Pt \ $ donde t es el tiempo en segundos, y la corriente instantánea se puede calcular como \ $ P / V \ $.
El uso de la energía para analizar el comportamiento del circuito puede ser una técnica poderosa (sin juego de palabras). Puede ayudarlo a encontrar la amplitud de una señal de salida más rápido que los cálculos más complejos.
Sin embargo, no es muy práctico utilizar la energía como la especificación principal o única de estos componentes. Por ejemplo, para un diodo, el nivel de voltaje apenas cambia para un rango de corriente grande porque la curva VI es casi vertical después de la variación de 1.xV. Y también porque el componente puede operarse a muchos niveles de potencia y corrientes, pero principalmente a un nivel de voltaje "único". Entonces, para un diodo, la tensión de operación es una característica importante.
Una vez que sepamos el voltaje, todavía tenemos que limitar el consumo de energía. Si digo que el LED debería funcionar a 30 mW, ¿es una información conveniente para trabajar? ¡No! Cuando tengo un voltaje de unidad conocido, quiero determinar el valor de la resistencia para determinar el punto de ajuste para el LED. El poder del LED no me permite determinarlo directamente. ¡El voltaje y la corriente hacen! Solo tengo que saber cuánta tensión necesita manejar la resistencia y cuánta corriente quiero. Si mi fuente es 5V, mi LED funciona a 2V, tengo 3V sobre la resistencia, por lo que, sabiendo que quiero aproximadamente 20 mA, sé el valor de la resistencia haciendo 3x50 = 150 \ $ \ Omega \ $ (porque sé que 50 = 1000/20).
Si estuviera usando energía, tendría 40 mW, por lo que necesitaría convertir eso en voltaje y corriente, o al menos conocer el voltaje. Solo con el voltaje y la potencia, usaría el hecho de que la resistencia consume 1.5 veces la potencia del LED porque tiene 1.5 veces la caída de voltaje. Por eso consume 60mW. \ $ P = VI = V ^ 2 / R \ $ así \ $ R = V ^ 2 / P \ $ significa que \ $ R = 9V ^ 2 / 60mW = 9 \ Omega / 0.06 = 3 \ Omega / 0.02 = 150 \ Omega \ $. Wow, el mismo resultado, pero un poco más difícil de conseguir.
Entonces, en lugar de calcular las características interesantes cada vez, las memorizamos o comunicamos. Acelera nuestro trabajo y nos mantiene concentrados en las cosas importantes. También es interesante saber el consumo de energía porque en nuestro mundo de dispositivos conectados, determinar el presupuesto de energía también es importante, pero es menos importante si solo desea que el circuito funcione.
Por ejemplo: un LED rojo necesita 2V para funcionar, pero ¿por qué? ¿por qué no decimos que la función del LED está en - solo suponiendo - 10 W, sea cual sea la combinación de voltaje y corriente?
Porque puedes alcanzar 10 W en un número infinito de combinaciones de voltaje y corriente. por ejemplo, desde \ $ P = VI \ $ podemos ver que podríamos generar 10 W usando
Figura1.Unabombilladefarode55W,pero¿paraquésuministrodevoltaje?
Aldiseñarundispositivotenemosquetomaralgunasdecisiones.Tomemoselejemplodeunabombilladefaroautomáticode55W:alguienhadecididoquelatensiónestándardelabateríaesahorade12Vparaautomóvilesy24Vparacamionesyautobuses.Esosignificaquelabombillade12Vrequerirá4.6Aylalámparade24Vrequerirá2.3A.
Siestádiseñandounproductodesdecero,tienemuchasopciones.
ElejemplodeLEDensupreguntaesbastanteinteresanteporqueelvoltajedirecto,VF,estádeterminadoporelsemiconductorutilizadoparagenerarlaluz.
Figura2.LascurvasIVparalostípicosLEDpequeñosrojos,naranjasyverdes.Fuente:
Tenga en cuenta que las curvas en la Figura 2 son una propiedad fija del material utilizado para dopar el semiconductor para obtener el color deseado. No puedes cambiarlo.
De los comentarios:
... ¿por qué los diodos normales necesitan 0.7V para funcionar?
Porque ese es el voltaje requerido para permitir que los portadores de carga salten la zona de agotamiento en la unión del diodo P-N.
Un diodo de unión p – n está hecho de un cristal de semiconductor, generalmente de silicio, pero también se utilizan germanio y arseniuro de galio. Se le agregan impurezas para crear una región en un lado que contiene portadores de carga negativa (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (orificios), llamado semiconductor de tipo p . Cuando los materiales de tipo n y p se unen entre sí, se produce un flujo momentáneo de electrones desde el lado n al lado p, lo que resulta en una tercera región entre las dos donde no hay portadores de carga presentes. Esta región se denomina región de agotamiento porque no hay portadores de carga (ni electrones ni agujeros) en ella. Los terminales del diodo están unidos a las regiones tipo n y tipo p. El límite entre estas dos regiones, llamada unión p – n, es donde tiene lugar la acción del diodo. Cuando se aplica un potencial eléctrico suficientemente superior al lado P (el ánodo) que al lado N (el cátodo), permite que los electrones fluyan a través de la región de agotamiento desde el lado tipo N al lado tipo P La unión no permite el flujo de electrones en la dirección opuesta cuando el potencial se aplica a la inversa, creando, en cierto sentido, una válvula de retención eléctrica. Fuente: Wikipedia Diodo [énfasis mío].
0.7 V es suficientemente alto.
Si solo se le proporciona una clasificación de potencia, puede lograr eso con combinaciones infinitas como se menciona en el 'transistor'. Pero los componentes eléctricos tienen cierta limitación a la tensión aplicada entre ellos. Aplicar un voltaje más alto o más bajo que el mencionado, terminas obteniendo un mal resultado. Pero la cosa es diferente para la corriente. Los componentes toman tanta corriente como sea necesario, sin importar cuánto se suministre. Digamos que tienes una bombilla de 10 vatios, entonces puedes probar la combinación de 5V * 2A o 20V * 0.5A y muchos otros. Como mencioné anteriormente, la tensión aplicada debe fijarse a cierto nivel. Digamos que la bombilla tiene 10V mencionado en él. Por lo tanto, si aplica 5V o 20V, no obtendrá el resultado que está buscando. Por lo tanto, la bombilla debe operarse a 10V * 1A (ya que la potencia es de 10W). Y debe elegir una fuente de alimentación con capacidad nominal de 10 V, 1A. Esta lectura le permite saber que el suministro es capaz de mantener 10V en sus terminales y 'al menos 1A actual.' En el caso de LED, el voltaje es bastante constante para cierto rango de corriente.
El voltaje y la corriente son cosas fundamentalmente diferentes. No son solo aspectos diferentes del poder. ¿Es posible tener una diferencia de voltaje sin una corriente y (en un superconductor) una corriente sin una diferencia de voltaje? Como han dicho otros, los componentes eléctricos restringen la relación voltaje-corriente, pero eso no significa que solo podamos preocuparnos por la energía. Por un lado, es mucho más fácil hacer un circuito que proporcione una tensión o corriente fija que una potencia fija. Medir la tensión y la corriente también es la forma más fácil de medir la potencia.
La electricidad puede transportar información y energía. Para obtener información, no necesita tanto voltaje como corriente, y generalmente trata de minimizar uno de ellos. Considere un circuito lógico digital: ¿cómo sería mejor ver la potencia que la tensión?