Spannungsabfälle und Strom für LED?

Das Problem ist, dass Sie (noch) nicht verstehen, wie die richtige grundlegende Theorie anzuwenden ist :-).

Wie auch immer - herzlichen Glückwunsch, dass Sie versucht haben, es selbst herauszufinden. Machen Sie weiter so und Sie werden bald mit der richtigen Berechnung vertraut sein.

Spannung und Strom und Widerstand können ziemlich gut durch eine Wasseranalogie modelliert werden. Die Spannung ähnelt dem Pumpdruck oder "Kopf"-Druck in einem Reservoir, der Strom ist dem Stromfluss ähnlich und der Widerstand ist dem Rohrwiderstand gegen Wasserfluss oder dem Durchflusswiderstand eines Hydraulikmotors ähnlich.

Der "Fehler" bei Ihrem Modell geht also davon aus, dass die aktuelle Nennleistung des Arduino das war, was passiert ist, wenn es um die Spannung oder den Pumpdruck geht.

Wenn die 3V3-Schaltung des Arduino eine Nennleistung von 50 mA hat, ist dies der maximale Strom, der fließen darf , und nicht die Strommenge, die fließen muss .

Verwenden Sie Ihren ASCII-Kunstschaltplan:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

Die Schlüsselgleichung hier (eine Anordnung des Ohmschen Gesetzes) ist

• Ich = V/R

Dies besagt, dass der Strom mit zunehmender angelegter Spannung zunimmt und mit zunehmendem Widerstand abnimmt. Hier wird ein zusätzlicher Faktor hinzugefügt, um die Dinge interessanter zu machen. LEDs wirken ungefähr wie eine Konstantspannungs-"Senke". Das heißt, wenn der Strom über eine Anfangsgrenze erhöht wird, steigt die Spannung nicht linear mit dem Strom an – sie steigt, aber mit einer geringeren Rate als die Stromanstiegsrate.

Wenn Sie diese Gleichung neu anordnen, erhalten Sie

• R = V/I

Auf diese Weise können Sie den erforderlichen Widerstandswert berechnen, der erforderlich ist, um einen bestimmten Strom mit einer bestimmten verfügbaren Spannung zu erhalten. Bevor wir es anwenden können, gibt es einen „Falltrick“, den wir verstehen müssen.

Wenn sie in ihren vorgesehenen Strombereichen betrieben werden, haben die meisten LEDs einen vernünftig begrenzten Bereich von Spannungsabfällen. Eine moderne weiße LED kann bei einem "Abfall" von etwa 2,8 V über die LED beginnen, sichtbar Licht zu emittieren, hat einen Abfall von beispielsweise 3 V3 (= 3,3 Volt) bei 20 mA (was normalerweise der maximale Betriebsstrom für 3 mm und 5 mm bedrahtete LEDs ist). ,) und durch Überstrom bei beispielsweise 3V8 über der LED durchbrennen. Typische Zahlen werden variieren, aber das gibt eine Vorstellung. Eine moderne rote LED kann einen Durchlassspannungsabfall haben, wenn sie mit einem Nennstrom von 2,5 V betrieben wird, und eine Infrarot-LED kann mit typisch 1,8 V arbeiten. Bei der Berechnung des LED-Stroms können Sie mit dem typischen Durchlassspannungsabfall aus dem Datenblatt der LED beginnen.

Typische rote LED

Hier ist das Datenblatt für eine typische moderne rote LED . Es ist ein Kingbright WP7113ID. Ich habe es ausgewählt, indem ich die billigste vorrätige 5-mm-LED mit Blei gefunden habe, die von Digikey verkauft wird. In 1 sind es 11 US-Cent.

Das Datenblatt besagt, dass die Durchlassspannung typischerweise 2,0 V bei 20 mA beträgt, also werde ich diese Zahl verwenden.

Betrieb bei 20 mA

Da die LED eine ungefähr konstante Spannung hat, müssen wir diese Spannung von der verfügbaren Spannung subtrahieren, die Strom durch den Widerstand "pumpt". Wir entwerfen die Schaltung so, dass sie 20 mA liefert - den maximalen Nennwert der LEDs. So wird unsere vorherige Formel.

• R = (V_Versorgung - V_LED)/ I

Für V_LED = 2v0 und Vsupply = 3V3 erhalten wir

• R = (3,3 - 2,0) / 0,020 = 1,3 / 0,02 = 65 Ohm.

68 Ohm ist der nächste Standard-"E12"*-Widerstandswert.

Der Spannungsabfall über dem Widerstand = 3,3 - 2,0 = 1,3 V - wie oben. Das Datenblatt besagt, dass die Vf der LED bei 20 mA bis zu 2V5 betragen kann. Mal sehen, was passieren würde, wenn wir eine LED mit Vf = 2,5 V bei 20 mA verwenden würden.

Wie oben I = V/R = (Vsupply-VLED)/R

Hier verwenden wir jetzt I = (3,3-2,5)/68 = 0,8/68 = 0,00176A ~= 12 mA.

Also haben wir für 20 mA ausgelegt, aber in diesem Fall etwa 12 mA bekommen. Wenn die Vf der LED bei 20 mA niedriger als 2,0 V gewesen wäre (was passieren kann), wäre der Strom in ähnlicher Weise höher als 20 mA gewesen. Insgesamt könnte der LED-Strom aufgrund von Produktionsschwankungen in der Vf der LEDs um > 2:1 variieren. Aus diesem Grund verwenden "echte" LED-Antriebsdesigns Konstantstromquellen oder Schaltungen, die sich einer Konstantstromquelle annähern. Aber das ist eine andere Geschichte.

Betrieb mit 330 Ohm Widerstand

Für Ihren 330R-Widerstand.

Mit LED Vf = 2V0. I_LED = V/R = (3,3-2 V)/330 = ~ 4 mA

Mit LED Vf = 2V5. I_LED = V/R = (3,3-2,5 V)/330 = ~ 2,4 mA

Das Datenblatt sagt nicht, was das Vf-Minimum ist - nur typisch und maximal -, aber nehmen wir an, es sind 1,8 V.

I_LED = V/R = (3,3-1,8)/330 = 4,5 mA

Der LED-Strom kann also je nach LED-Vf zwischen 2,4 mA und 4 mA variieren = ein Verhältnis von 1:1,666.

ABER die Vf im Datenblatt lag bei 20 mA. Wenn der Strom abfällt, fällt Vf "etwas". Hier sind die Eigenschaften der ausgewählten LED aus ihrem Datenblatt.

Wir können sehen, dass Vf bei 2 mA etwa 1,7 V und bei 4 mA etwa 1,78 V beträgt, sodass der angenommene Wert von 1,8 V für unsere Zwecke gut genug ist.

---

• E12 - gebräuchlichste Widerstandsserie mit 5% Genauigkeit - 12 Widerstände pro Dekade.

Bevorzugte Nummernserie - suche nach E12 und lies dann auch den Rest :-)

E12-spezifisch - Werte und Farbcodes - fokussierter, aber insgesamt weniger nützlich

Sie müssen mit dem LED-Spannungsabfall beginnen. Das bestimmt den Strom, nicht umgekehrt. Der Grund dafür ist, dass die LED-Spannung mehr oder weniger fest ist, während der Strom variabel ist und sich an die Anforderungen der Schaltung anpasst.
KVL ist in der Tat das, was Sie brauchen. Wenn der LED-Spannungsabfall 2 V betragen würde, wäre die Widerstandsspannung 3,3 V - 2 V = 1,3 V und somit der Strom in der Schaltung

$I = \dfrac{1.3V}{330\Omega} = 4mA$

Wenn also der Spannungsabfall über dem Widerstand zu groß wäre, stellt er sich automatisch auf einen niedrigeren Wert ein, indem er den Strom verringert.

Hinweis: Die 50 mA sind das, was der Pin liefern kann . Was es in Wirklichkeit liefert, hängt davon ab, was von der Schaltung angefordert wird , und das sollte nicht höher sein. Und in unserem Fall ist es viel niedriger, also ist das in Ordnung.

---

Für die meisten Situationen ist die obige Berechnung, die einen festen LED-Spannungsabfall voraussetzt, ausreichend, aber manchmal möchten Sie eine genauere Antwort, die die variable Durchlassspannung berücksichtigt. Meistens haben Sie keine Gleichung für Strom versus Durchlassspannung, sondern nur einen Graphen. Das heißt, Sie können es nicht analytisch lösen. Wir werden sehen, dass es einfach ist, es grafisch zu lösen.

Der Trick liegt in der roten Linie. In der angegebenen Grafik ist dies die Belastungslinie für 100$\Omega$Widerstand und eine 3V-Versorgung. Um die Linie zu zeichnen, finden Sie die Punkte, an denen sie sich mit den Achsen schneidet. Der Punkt auf der X-Achse ist die Versorgungsspannung, hier 3V. Der Punkt auf der Y-Achse ist der Strom, wenn die LED-Spannung 0 V wäre, also$\dfrac{3V}{100\Omega}$= 30mA. Gegebenenfalls müssen Sie den Graphen verlängern, damit die Y-Achse sichtbar wird.
Die rote Linie zeigt den Strom für eine gegebene LED-Spannung. Wenn die LED-Spannung 3 V beträgt, ist der Strom 0. Wenn die LED-Spannung 2 V beträgt, ist der LED-Strom 0$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$= 10mA usw. Die Funktion ist linear, daher die Gerade.
Jetzt müssen Sie nur noch den Punkt finden, an dem sich die Lastlinie mit dem LED-Diagramm schneidet. Für die gegebene Situation beträgt die LED-Spannung also 1,81 V und der Strom 12 mA. Es ist so einfach, kein Ärger mit komplizierten Formeln.

---

Siehe auch diese Frage , um herauszufinden, wie der Wert des Widerstands berechnet wird.

Zwei Möglichkeiten:

• Die Stromstärke ist das, was das Quellgerät ohne Beschädigung / Überhitzung verarbeiten kann, aber keine Maßnahmen, um sich darauf zu beschränken

• Der Spannungsabfall über der LED ist höher als Sie denken, daher sind der Spannungsabfall über dem Widerstand und der Strom durch ihn niedriger als 50 mA. Ein zufälliges LED-Datenblatt, das ich gerade ausgegraben habe, listet eine Durchlassspannung von 1,85 V auf - das würde Ihnen einen Abfall von 1,45 V über den Widerstand und einen Strom von 44 mA geben (was zufällig das Doppelte dessen ist, was für die von mir ausgewählte LED empfohlen wird - Vielleicht möchten Sie einen größeren Widerstand in Betracht ziehen - die alten Radio-Shack-Kits würden 680 Ohm mit einer 3-V-Batterieversorgung verwenden)

Wenn Sie ein Voltmeter (oder vielleicht den eigenen Analogeingang des Arduino) haben, können Sie die Spannung des Knotens zwischen dem Widerstand und der LED messen und die jeweiligen Abfälle über dem Widerstand und der LED und damit den Strom aus dem Abfall über dem bekannten Widerstand bestimmen .

Die kurze Antwort:

Der Strom wird nicht 0,05 A betragen, nur weil die Spezifikation für die Versorgung 0,05 A sagt; Wenn eine Stromversorgungsspezifikation einen Strom liefert, ist dies nur das Maximum, das Sie daraus entnehmen sollten. Was Sie tatsächlich für Strom erhalten, hängt von der Last ab.

Allerdings können Sie quantitative Antworten für diesen speziellen Fall aus einigen der netten Grafiken erhalten, die in den anderen Antworten angegeben wurden.