LEDs scheinen sich automatisch selbst zu regulieren, um die ideale Spannung an den Anschlüssen zu erreichen

Die Antwort auf Ihre Frage lautet zumindest teilweise „Ja“. Eine LED ist eine Diode und Halbleiter haben ein nichtlineares Verhalten. Das sind ausgefallene Wörter, die "nicht wie ein Widerstand" bedeuten. Insbesondere die Tatsache, dass sie keinen (signifikanten) Strom leiten, bis sie eine bestimmte Spannung erreichen, ist meistens das, was Sie gefunden haben. Siliziumdioden haben im leitenden Zustand etwa 0,6 bis 0,7 Volt; ebenso der Basis-Emitter-Übergang eines Transistors. Germanium macht dasselbe bei etwa 0,3 Volt. Zenerdioden haben dieses Verhalten bei einer Nennsperrspannung. LEDs tun dies bei etwa 3 Volt (abhängig von der Farbe aufgrund von Materialien und Dotierung).

Nachdem der Diodenübergang leitend ist und Sie versuchen, die Spannung zu erhöhen, versucht die Diode, mehr Strom zu leiten. Das liegt daran, dass es, sobald es leitend ist, so wirkt, als hätte es einen ziemlich niedrigen Serienwiderstand. Tatsächlich ist ein einfaches Modell einer Diode eine Spannungsquelle in Reihe mit einem kleinen Widerstand. Wenn es in Ihrer Schaltung einen anderen signifikanten Widerstand gibt (Ihre 100 k sind weit mehr als genug), erscheint die erhöhte Spannung über diesem Widerstand und die Diode zieht einfach mehr Strom.

Ich habe eine rote LED gesehen, die als Spannungsregler verwendet wurde. Ich war kein besonders guter Regler, aber es reichte aus, um die Arbeit in dieser Anwendung zu erledigen.

LED-Durchlassspannung und -strom werden in der I/V-Kurve beschrieben:

Indem Sie den Strom mit dem äquivalenten Widerstand von 50 kOhm begrenzen, bringen Sie die LED wahrscheinlich in den Bereich mit etwa 3 V Durchlassspannung (falls Sie das gemessen haben).

In Wirklichkeit würde die Rechnung lauten:

120 Vrms - 3 V = 50000 R * i

i = 117/50000 = 0,00234 A = 2,34 mA

ps: IRL verwendet keinen einzelnen Widerstand in Reihe mit 120 V Wechselstrom, sie sind normalerweise nicht für 200 V Spitzenwerte ausgelegt. Verwenden Sie mehrere in Reihe. Oder experimentieren Sie überhaupt nicht mit 120 V Wechselstrom, wenn Sie Anfänger sind.

pps: gemessene IRL-Unterschiede können durch Widerstands-, LED- und AC-Buchsen-Spannungstoleranzen erklärt werden. (aus Kommentaren: Außerdem messen Sie gleichgerichteten Wechselstrom. Viele Multimeter kommen damit nicht gut zurecht, da sie eine ungefähre Berechnung für RMS-Werte unter Berücksichtigung einer Sinuswelle durchführen.)

Ich habe die "zufällige I / V-Kurve aus dem Internet" erstellt, die Wesley für seine Antwort ausgewählt hat. Ich arbeite noch daran, da die Kurven für eine bestimmte LED-Familie nicht ganz korrekt sind, aber es ist immer noch nützlich, um bestimmte Konzepte zu erklären.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihre Frage vollständig verstehe, aber ich hatte eine andere Variante des Diagramms in einem Artikel „Widerstand“ einer LED veröffentlicht , die möglicherweise relevant ist.

Abbildung 1. Eine LED kann als Widerstand mit einer festen Spannungsquelle angenähert werden.

Wenn wir uns eine typische LED-IV-Kurve ansehen, können wir sehen, dass sie über einen Großteil ihres nutzbaren Bereichs ungefähr linear ist. Dadurch können wir die LED als Widerstand und Spannungsquelle modellieren.

Abbildung 2. LED-Ersatzschaltbildmodell.

In Abbildung 1 liegt die graue Linie ziemlich nahe an der LED-Kurve von 20 mA bis 100 mA. Wir können den Widerstand, den dies darstellt, aus dem Ohmschen Gesetz V = IR berechnen, aber in diesem Fall betrachten wir die Änderung von Spannung und Strom im interessierenden Bereich.

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

Wir können auch sehen, dass die Linie die X-Achse bei Vf = 2,0 V schneidet. Unser Ersatzschaltbild für diesen interessierenden Bereich ist (siehe Abbildung 2) R1 = 15 Ω und V1 = 2,0 V.

Verglichen mit den parallelen 100k-Widerständen in Ihrem Modell ist der 15-Ω-Widerstand in meinem Modell winzig und die LED verhält sich ziemlich genau wie eine Konstantspannungsquelle, wie Sie festgestellt haben.

Da Sie ein Tischnetzteil und ein Multimeter haben, können Sie die I / V-Kurve für die LEDs zeichnen, die Sie haben. Dazu habe ich auf der Seite IV-Kurven ein etwas langatmiges Video zusammengestellt .

Vergessen Sie all die ausgefallenen Charts. Es ist eigentlich ziemlich einfach. Wenn Sie ein Gerät haben, das ca$3\:\textrm{V}$darüber und bewerben sich$120\:\textrm{V}$darüber durch einen Widerstand, dann haben Sie eine sehr gute Stromquelle. Die LED selbst spielt also keine Rolle. Es ist so einfach:

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

Das funktioniert so:

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

Also mit$R\approx 50\:\textrm{k}\Omega$, das heißt, wenn$\textrm{d}V_{LED}=1\:\textrm{V}$, Dann$\textrm{d} I=60\:\mu\textrm{A}$. Das ist nicht viel Änderung des Stroms für eine volle Voltänderung der LED-Spannung. Ein Strom von$2.4\:\textrm{mA}$würde werden$2.34\:\textrm{mA}$, oder sonst$2.46\:\textrm{mA}$, abhängig von einer vollen Voltänderung des erforderlichen Werts der LED. Das ist nicht viel Abwechslung.

In Prozent ausgedrückt würdest du Folgendes berechnen:

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

Kurz gesagt würde eine 33% ige Änderung der LED-Spannung resultieren$-0.075\cdot 33\%\approx -2.5 \:\%$Änderung des Stroms in der LED.

Das ist also eine ziemlich gute Regulierung. Der Grund liegt hauptsächlich in dem enormen Widerstandswert, den Sie hier verwenden. Wenn es kleiner wäre, wäre die Regulierung schlechter.

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Ein weiterer, separater Grund zu berücksichtigen ist, dass LEDs in ihrer Spannung basierend auf der Shockley-Gleichung variieren:

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

Oder,

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

Hier mit$V_T\approx 26\:\textrm{mV}$Und$n\approx 2$, würden Sie ungefähr erwarten$50\:\textrm{mV}$Änderung der LED-Spannung für eine Verdoppelung des Stroms durch sie. Das ist keine große Spannungsänderung für eine ziemlich signifikante Änderung des Stroms durch die LED. Und um diese Art von Änderung zu erhalten, müssten Sie den Strom verdoppeln$R$, zu. Und Sie wissen, dass das nicht passieren kann. Das Ergebnis ist also, dass selbst bei einer signifikanten Änderung des Stroms durch die LED nur eine sehr geringe Änderung der Spannung an der LED auftritt.

Diese ausgefallenen Diagramme zeigen Ihnen diesen Effekt. Und das würde die Dinge übernehmen und erklären, wenn Sie eine viel geringere Spannung zum Abfallen hätten. Aber in Ihrem Fall, selbst wenn es nicht die Shockley-Gleichung, sondern ein anderes Verhalten wäre, hätten Sie aufgrund dieser enormen Spannung, die Sie wegwerfen, immer noch eine gute Regulierung. Mit einer Niedervolt-Glühlampe hätte man zum Beispiel auch eine gute Regulierung. Während dieser Effekt für eine gute Regulierung mit einer Niederspannungsquelle verantwortlich wäre, ist dies hier nicht der Grund.

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Keine Kurven erforderlich. Es ist nur so, dass Sie hier viel Spannungsspielraum haben, und dies trägt zu einer guten Regulierung bei.

Wenn Sie dies anders sehen müssen, stellen Sie sich einfach eine riesige Spannung vor$1,000,000\:\textrm{V}$über einen Widerstand von$100\:\textrm{M}\Omega$. Der Strom wird$10\:\textrm{mA}$, Rechts? Angenommen, Sie haben dort eine LED eingefügt? Wie viel würde sich der Strom ändern, wenn die LED benötigt wird$10\:\textrm{V}$statt nur$3\:\textrm{V}$? Nicht viel, oder? Da die Quellenspannung so groß ist und der Vorwiderstand so viel Spannung absenken muss, haben Schwankungen der LED-Spannung fast überhaupt keine Auswirkung auf den Strom durch die LED.

So einfach ist das.

Transistor hat es in einem Kommentar auf den Punkt gebracht. Die LED ist nicht gut darin, sich selbst zu regulieren, es ist das Gegenteil. Die LED kann sich so schlecht selbst regulieren, dass sie den Widerstand in einen nützlichen Regler verwandelt.

Ein extremes Beispiel

Denken Sie allgemein an Lichtsender . Glühlampen sind linear, Sternchen*. Sie kennen LED, nicht sehr linear. Noch weniger linear ist die Lichtbogenentladungsfamilie (Leuchtstoff, Neon, Natrium, Quecksilber, Halogenid) - Isolatoren, bis der Lichtbogen zündet, dann ein absoluter Kurzschluss. Eine Sache, die alle Lichtemitter gemeinsam haben, ist, dass sie ziemlich gut mit konstantem Strom arbeiten würden.

Nehmen wir also ein extremeres Beispiel. Alles, was Sie haben, ist eine 2400-VAC-Verteilerleitung über Ihrem Schrottplatz, eine 400-W-Hochdruck-Natriumbirne und -Steckdose (idealerweise 4 A bei 100 V) und ein riesiger 1-kOhm-20-kW-Widerstand. Du schaltest es in Reihe Line -- Resistor -- HPS bulb -- Line. Was geschieht?

Im Ruhezustand ist der Lampenwiderstand unendlich, es fließt 0 Strom, der Widerstand fällt auf 0 V ab, es liegen also 2400 V an der Fassung an. Das ist zufällig die Lichtbogenzündspannung einer HPS-Birne. Jetzt leuchtet die Glühbirne, und es ist ein toter Kurzschluss oder nahe genug an einem.

Jetzt, da Strom fließt und die Glühbirne versucht, einen Kurzschluss zu emulieren, liegt fast der gesamte Spannungsabfall im Widerstand: E = IR 2400 V = I * 1000 Ohm. Wir fließen höchstens 2,4 Ampere -5 %. Dies liegt gut innerhalb des Arbeitsbereichs einer 400-W-HPS-Glühbirne, sodass sie wahrscheinlich 200-230 Watt Gelbsucht-gelbes Licht erzeugt. Der Wunsch der Glühbirne, ein toter Kurzschluss zu sein, macht den Widerstand zu einem besseren Regler. Ohne den Widerstand würde die Glühlampe schon bei einer Spannung nahe ihrer Betriebsspannung zB 120V durchschmelzen.

Dieses Beispiel ist wegen der hohen Spannung nicht extrem (es ist nur die 24-fache Arbeitsspannung anstelle Ihrer 40-fachen). Es ist extrem, weil Entladungslampen so extrem schlecht darin sind, sich selbst zu regulieren.

Bei LED ist es ähnlich

Vergessen Sie all diese komplizierte Mathematik (zwinkern Sie hier Jonk zu), das obige Beispiel ist das Wesentliche. Der Widerstand ist eine so große Impedanz, dass selbst eine signifikante Abweichung der LED-Eigenschaften (von Binning, Temperatur, Alter) die Mathematik wahrscheinlich nicht ändert (wenn Sie es überhaupt Mathematik nennen könnten).

Dies funktioniert, weil die Eingangsspannung ein so großes Vielfaches der LED-Arbeitsspannung ist, dass der Widerstand die ganze Arbeit macht. Wenn wir viel näher rannten (3-V-LED an 12-V- oder sogar 5-V-Versorgung), dann brauchen wir den spitzen Bleistift und arbeiten es im Detail aus, wie Jonk und Transistor besprechen.

Natürlich ist es eine Verschwendung, all diese Energie in einem Widerstand zu verbrennen. Aber das Betreiben einer Glühlampe wird nicht als Verschwendung angesehen, und sie sind linear. Ich habe mich manchmal gefragt, ob ich eine Glühlampe (effektiv) als Vorschaltgerät für eine LED- oder Entladungslampe verwenden sollte. Sie würden sich gegenseitig ergänzen, wobei die Stärken der einen den Schwächen der anderen helfen würden.

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* Unbeleuchtete Glühlampen haben einen sehr geringen Widerstand (fast einen Kurzschluss), ihr Widerstand steigt stark an, wenn sie zu glühen beginnen, und pendelt sich über ihren Arbeitsbereich auf einen relativ konstanten Widerstand ein. Wenn Sie eine konstante Spannung an sie anlegen, entsteht zunächst ein Stoßstrom, der als Einschaltstrom bezeichnet wird . Das treibt Elektriker in den Wahnsinn: Sie bekommen dieses schöne 20-A-Steuerrelais, und im Kleingedruckten steht wegen des Einschaltstroms "5 A Wolfram". Argh! Andererseits, wenn man Glühlampen mit Konstantstrom fuhr, sie würden sich in der Tat sehr gut benehmen: Das Entfernen des Schocks der Startleistung würde ihre Lebensdauer erheblich verlängern. Und sie wären einfacher bereitzustellen, Sie könnten tatsächlich 20 A aus diesem Relais herausholen. Leider ist "Wolfram-Rating" hier, um zu bleiben, es gilt auch für elektronische Vorschaltgeräte für Entladungslampen und LED-Treiber ... deren Anlauf verursacht auch einen Einschaltstrom (Ladekappen usw.). Licht an...

Glückwunsch. Sie haben gerade "Bandlücke" entdeckt. Es ist der Energiebereich, in dem kein Elektronenzustand existiert. Seine Spannung ist das erforderliche Potential, um Elektronen in großem Umfang aus ihren Umlaufbahnen zu schlagen, damit sie auf dem Halbleiter überfliegen und auch Löcher hinterlassen können, wodurch mehr Elektronen überflogen werden können.

Bei NP-Siliziumtechnologien beträgt diese Bandlücke etwa 0,7 V. Bei LEDs wird diese Bandlücke so angepasst, dass die Spannung, bei der der Photoelektrische Effekt entsteht, eine bestimmte Spannung und damit eine bestimmte quantifizierte Energie für die Photonen und damit eine Wellenlänge und damit eine Farbe hat. Strom steuert, wie viel dies geschieht und damit die Helligkeit der LED.

Das ist nur ungefähr die Physik, die ich über diese Dinge weiß, da ich selbst kein Physiker bin.

Das Problem mit Berechnungsmethoden in der Elektrotechnik besteht darin, dass sie das Vorhandensein von stückweisen Funktionen in nicht approximierenden mathematischen Modellen der Schaltungen nicht akzeptieren. Sie denken, dass es nur so ist, wenn wir Annäherungen machen, und völlig abwesend, wenn wir komplexe Analysen machen. Das gilt, wenn es um passive Schaltungen geht, bei denen alles linear ist (linearen Transformationen gehorcht). Selbst was wie eine kombinatorische Änderung von Strom oder Spannung aussieht, wird einfach durch Vorzeichenkonventionen gelöst (es geht nicht darum, wo der Strom nach links oder rechts fließt, sondern wenn er einen einzelnen Anschluss einer Komponente verlässt oder verlässt).

Aber es ist eine andere Welt, wenn es um "aktive" Schaltungen geht. Dort gibt es wirklich stückweise Funktionen, egal ob Sie Annäherungen oder sehr genaue komplexe Funktionen verwenden. Sie können 2 aktive Geräte in Reihe haben, deren Gleichungen besagen, dass sie einen unterschiedlichen Strom durch sie haben, und was auch immer Sie tun, Sie können sie einfach nicht dazu bringen, sich auf einen einzigen Strom zu einigen oder zu "konvergieren". Sie müssen sich für eine entscheiden. Es ist das Minimum. Diese SPICE-Simulationen, denen Sie so sehr vertrauen? Sie verwenden bereits stückweise Funktionen, oder die meisten Ihrer digitalen Schaltungssimulationen werden niemals konvergieren und enden.

Aus diesem Grund hat Ihre obige Schaltung den Strom:

$$I_T = I_s(e^(\frac{V_T - I_T R}{n V_t} - 1))$$ Es ist die Diode, die hier den Strom steuert, und ja, Dioden sind aktive Komponenten, da sie die einzeln definierten linearen Gleichungen brechen.

Wir haben also einfach:

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

Das einzige Problem, warum es nicht genau ist, ist, dass wir eine ziemlich konstante V_D von 0,7 V verwenden, anstatt immer zu verwenden$n*V_T*ln(\frac{I_T}{I_S} + 1)$. Andererseits ist die Shockley-Gleichung AUCH eine Annäherung, aber es steht Ihnen frei, komplexere Gleichungen zu verwenden.

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AUCH, kaufen Sie nicht bei Lees's Electronics, sie könnten fälschlicherweise Teile geben, die für mich reserviert sind, und Sie könnten mit fehlerhaften Komponenten enden.

Bei einem Serienmodell würde ich das nicht machen. LEDs sind nicht für eine Sperrspannung von 120 VAC (170 V Spitze) ausgelegt. Das einzige, was die Sperrspannung an LED1 gesund hält, ist die Tatsache, dass LED2 funktioniert und die Spannung bei 3 V hält. Wenn LED2 ein Problem hat, sieht LED1 plötzlich 170 V Spitzenrückstrom, Kaboom.

Schalten Sie jede LED mit einer Diode in Reihe, die für einen Spitzenrückstrom von 170 V geeignet ist.

Allerdings habe ich vor, genau dies mit 75 VDC zu tun, was noch lebhafter ist als 120 V AC, aber Rückstrom ist in diesem Fall kein Problem.