¿Qué sucede si un LED está conectado a un voltaje de suministro mayor que su caída de voltaje?

Esta es una de esas situaciones en las que su problema no es lo bueno que es en el análisis o el conocimiento básico que puede tener, sino simplemente que no tiene idea de lo que no sabe. Esto siempre hace que el primer paso en la electrónica sea muy alto.

En el caso de su ejemplo, ¿qué no sabe acerca de una batería?

1. El voltaje del terminal de una batería ideal nunca cambiaría (al menos hasta que se use toda la capacidad de almacenamiento de energía). Por lo tanto, debe haber factores que afecten el voltaje del terminal y su capacidad de energía útil. Una lista rápida es química, volumen de materiales, temperatura y diseño de ánodo / cátodo.
2. Una batería práctica tiene una capacidad limitada y muchos de los otros factores que influyen en el voltaje del terminal y la capacidad de la corriente potencial se pueden incluir en un elemento del modelo denominado "resistencia interna". En el modelo para la mayoría de las baterías más grandes, serán fracciones de un ohmio. Sin embargo, la batería también tiene otros elementos como la capacitancia y la inductancia para hacer la situación más compleja. Puede comenzar leyendo sobre modelos de batería con textos como esto .

Un gran ejemplo de una batería más grande con una resistencia interna muy pequeña es una batería de automóvil de 12 V. Aquí, cuando arranca el automóvil, se requieren cientos de amperios (kW de potencia y corriente en el rango de 600 A) para hacer girar el motor y la tensión del terminal puede bajar de 13.8 V (una batería de automóvil de plomo-ácido completamente cargada) a solo 10 V al arrancar. Entonces la resistencia interna podría ser (usando la Ley de Ohms) solo 6 mili Ohms o menos.
Puede adaptar el pensamiento para este ejemplo a baterías más pequeñas como las baterías AA, AAA y C y al menos comenzar a comprender la complejidad de una batería.

Ahora, ¿qué no sabes acerca de un LED?

1. La complejidad del modelo eléctrico para un diodo (ya sea solo un rectificador o un LED) es inmensa. Pero podríamos simplificarlo aquí y decir que en su forma más simple puede representar un diodo por su voltaje de intervalo de banda con una resistencia en serie. Puede comenzar aquí para comenzar a aprender sobre los muchos paquetes SPICE y esta discusión sobre StackExchange puede ser un buen punto de partida.
2. Todos los dispositivos semiconductores tienen una limitación práctica en la cantidad de energía que pueden disipar. Esto se relaciona principalmente con el tamaño físico del dispositivo. Cuanto más grande es el dispositivo, más poder puede disipar.

Ahora puedes considerar tu LED. Debe comenzar intentando comprender la hoja de datos del dispositivo. Si bien muchas de las características no entenderá ya conocen una (de su pregunta), el voltaje directo (Vf) y probablemente encuentre el límite de corriente y la máxima disipación de potencia en la hoja de datos.
Equipado con esos, podría determinar la resistencia en serie que necesita para limitar la corriente de modo que no exceda el límite de disipación de potencia del LED.

La Ley de Voltaje de Kirchhoff le da un gran indicio de que, dado que el voltaje en el LED es de aproximadamente 3,1 V (y la curva de corriente de la hoja de datos le indica que podría nunca aplicar 9 V), debe necesitar otro componente de modelo concentrado en el circuito.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

¿Podría el elemento desconocido de arriba simplemente ser un trozo de cable (ningún elemento)?
Podría ... pero podemos calcular los resultados fácilmente.
Con dos elementos de voltaje ideales (9 V y 3,1 V), las resistencias deben tener 5,9 V (circuito de voltaje de Kirchhoff). Por lo tanto, el flujo de corriente debe ser 5.9 / 10.1 = 584 mA.
La potencia disipada en el LED es (3.1 * 0.584) + (0.584 ^ 2 * 10) = 5.2 vatios. Debido a que su LED tiene una potencia nominal de solo 300 mW o menos, puede ver que se calentará dramáticamente y, con toda probabilidad, fallará en segundos.

Ahora, si el elemento desconocido es una resistencia simple, y queremos que la corriente a través del LED sea, digamos, 20 mA, tenemos suficiente para calcular el valor.

El voltaje del terminal de la batería sería (9 - (0.02 * 0.1)) = 8.998 V El voltaje del terminal del LED sería (3.1 + (0.02 * 10)) = 3.3 V

Entonces, el voltaje a través de la resistencia desconocida es 5.698 y la corriente a través de ella es de 20 mA. Entonces, la resistencia es 5.698 / 0.02 = 284.9 Ohms.

En estas condiciones, la tensión de los bucles se equilibra y el LED pasa su valor diseñado de 20 mA. Su disipación de potencia es por lo tanto ((3.3 * 0.02) + (0.02 ^ 2 * 10)) = 70 mW ... es de esperar que esté dentro de la capacidad de un pequeño LED.

Espero que esto ayude.

Sí, el LED probablemente estará dañado. Ese es el cuento.

En realidad, el voltaje de la batería bajará un poco porque generará mucha corriente (las baterías tienen una resistencia interna que varía según el estado de carga, el historial de descargas, la temperatura y otros factores, tal vez un unos pocos ohmios para una batería nueva de 9V), y el voltaje del LED aumentará (los LED aumentan el voltaje con la corriente de forma no lineal) hasta que los dos se encuentran exactamente (si ignora un poco de caída en los cables) .

Así que digamos que el voltaje de la batería cae a 5V y la batería está suministrando 1.5A. Eso significa que el voltaje directo del LED es 5V y está disipando 5V * 1.5A = 7.5W, lo que significa que se consumirá rápidamente, asumiendo que es un indicador LED pequeño de 3mm o 5mm.

Si su LED de 3.1V resultara ser un grupo de dados de LED en paralelo y fuera capaz de manejar con seguridad (por ejemplo) 2A, por otra parte, el voltaje de la batería bajaría a algo así como 3.1V (debido a la resistencia interna de la batería, igual que la anterior) y el LED se encenderían con aproximadamente 6W de potencia de entrada. Por supuesto, la batería se agotará rápidamente (en el mejor de los casos, o podría calentarse mucho y posiblemente explotar violentamente. Algunos tipos, como las baterías NiCd o ciertas baterías de litio desprotegidas, pueden ser más peligrosas que otras).

Esto es lo que sucede: primero, conecté un LED verde correctamente a 9 V usando una resistencia de 1 kΩ para capturar la tensión residual.

Luego sin.

Sorprendentemente,luego,nuevamenteconunaresistencia,elLEDtodavíafunciona,peronotablementemástenue.

Nointentesestoencasa,niños...excepto,diablos,¿porquéno...esciencia!

Porquéseenciendebrevementeamarillo/rojoantesde"brillar", no lo sé. Probablemente el resultado sea diferente para cada tipo de LED.

En la práctica, hay algunos resistores "ocultos" o parásitos en tu ejemplo hipotético que no conoces. Para empezar, la batería tiene una resistencia en serie interna. El LED también tiene una resistencia al igual que todo el cableado en su circuito. Las caídas de tensión en todas estas resistencias más la caída intrínseca de tensión del LED se sumarán a la tensión de la batería.

La única pregunta es: ¿a qué corriente ocurre esto? Si es lo suficientemente alto, su LED cocinará y se quemará. La resistencia adicional en forma de una resistencia real en serie con el LED evitará este problema. Determinar el valor de la resistencia es una oportunidad para aplicar la ley de Ohm.

La respuesta a su pregunta de título es: el LED se iluminará.

La condición es que su corriente se encuentre dentro de los límites mínimo y máximo del LED en cuestión.

Una corriente baja lo hará quemar débilmente, y la corriente nominal lo hará brillar intensamente. Demasiada corriente soplará el LED.

Limita la corriente a su valor deseado (a menudo de 15 a 20 mA) poniendo la resistencia correcta en el circuito.

Usa la ley de Ohm para resolver eso. R (ohmios) = V (voltios) / I (amperios).

Dentro de límites razonables, el voltaje es bastante irrelevante para un LED, es la corriente la que lo enciende. Por supuesto, debe tener un voltaje suficiente para superar la caída de voltaje interna del LED en el extremo inferior.

No todos los suministros de 9 V son iguales. Algunos encenderán el LED y otros no. (Depende de la corriente de cortocircuito o de la resistencia interna).

9 V - 3.1 V = 5.9 V 'falta'. Esto se cae dentro del suministro de 9 V, el cable y dentro del LED. (Estas son las resistencias que causan la pérdida de voltaje o caída de voltaje).

Es muy difícil soplar cualquier cosa sin calor, (excepto la estática en MOS). El calor tarda en acumularse (y libera el humo. :-)

El calor que destruye el LED se debe a la tensión de 3.1 V, la resistencia interna del LED, la corriente (V / R) y el tiempo. Parte del calor (antes de que se produzca el humo) se pierde en el medio ambiente. Es por eso que los disipadores de calor se utilizan en algunos circuitos para evitar el humo.

Espero que esta sencilla explicación te ayude a comenzar con Google $$ V = I \ cdot R ~, $$ $$ P = V \ cdot I $$ y $$ E = P \ cdot t ~. $$

Este diagrama, con voltios en Xaxis y corriente en Yaxis, se usa para "resolver" gráficamente la ecuación para divisores de voltaje de 2 componentes en serie. Puede usarse para divisor de resistencia pura, o como aquí con diode & resistencia.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Coloca un segundo componente en serie, para compartir el voltaje. Por ejemplo, quieres el LED para trabajar de manera segura con sus 3.1 voltios, y tener un RESISTOR para usar el innecesario [9 - 3.1] = 5.9 voltios. A 10 mA (que puede ver como 100 ohmios por voltio), necesita 100 ohmios / voltio * 5.9 voltios = 590 ohmios. Los valores comunes son 560 ohmios y 620 ohmios.

Aquí necesita un circuito en serie: la fuente a 9 voltios y luego DOS componentes para compartir el voltaje de la batería.

Ahora utilicemos el mismo gráfico IV como un nomógrafo para resolver los divisores de tensión resistivos.

^{simular este circuito}

En la primera aproximación, ignorando las resistencias internas, los LED tienen características exponenciales de I / V hacia adelante. En realidad, esas son las características de la unión polarizada hacia adelante: los dispositivos reales tienen una resistencia interna en serie, normalmente algunos ohmios.

La caída de tensión "nominal" del LED es solo un punto de las características, por lo general, la tensión que corresponde a 20 mA, o una corriente directa nominal determinada.

Cuando coloca el led en los polos de la batería, crea un circuito en serie que incluye una fuente de voltaje "ideal" de 9 V, el LED y la resistencia interna de la batería (por ejemplo, 2 ohmios)

El punto de trabajo de su LED es la intersección de sus características de avance con una línea de carga determinada por la fuente de voltaje (9V) y la resistencia interna de la batería. La caída de voltaje en su LED será mucho más alta que la nominal de 3.1 V.

A menos que su LED sea un dispositivo de alta corriente, la corriente excederá el valor nominal y el LED sufrirá o explotará.

(y los diodos en general) son un poco extraños. Como primera aproximación por debajo del umbral de voltaje, no puede fluir ninguna corriente, sobre ella no hay restricción en el flujo de corriente.

Piensa en ello como una presa, cuando el agua está debajo de la represa está completamente bloqueada. Una vez que el nivel del agua está sobre la parte superior de la presa, su flujo no tiene restricciones, sin embargo, todavía se pierde la cantidad retenida detrás de la presa.

Entonces, con un LED con un umbral de 3.1V, si aplica 9V, tiene 5.9V aún por usar. Esto será usado por las resistencias en el circuito como lo describe la ley de Ohm, V = I * R. Si no ha agregado ninguna resistencia, R es la resistencia interna de las baterías y la resistencia de sus cables. Estas resistencias internas son normalmente lo suficientemente pequeñas como para que puedas ignorarlas, pero en este caso son todo lo que tienes. Pequeñas resistencias y un voltaje fijo significa que la corriente será muy alta. El LED tendrá una corriente máxima que puede sobrevivir, alrededor de 20 mA para los LED típicos. Si superas esto, se sobrecalentarán y se destruirán a sí mismos.

Como dije al principio, esto es solo una aproximación de un LED, en la práctica la caída de voltaje aumenta con la corriente. Sin embargo, ese aumento no es enorme, por lo general, si está en una situación en la que debe tenerlo en cuenta, entonces está haciendo algo muy sensible, algo de alta potencia o está ejecutando demasiado cerca de los límites de los componentes para comenzar. El aumento ciertamente no es suficiente para impactar el resultado final en este escenario.