Warum brannte mein LED-Widerstand, während vier LEDs in Reihe leuchteten?

Ich habe versucht, eine Schaltung zum Schalten einer großen 7-Segment-LED-Anzeige ( LDS-CD16RI ) mit einem Paar MOSFETs wie folgt zu erstellen:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Hier versuche ich, ein 3,3-V-Logiksignal (als eingekreiste 1 dargestellt) zu verwenden, um die 24 V zum Ansteuern der LEDs zu schalten. Diese Schaltung wird für jedes der Segmente der Anzeige wiederholt.

Die typische Durchlassspannung jeder der LEDs (die in jedem Segment des Displays in Reihe geschaltet sind) beträgt 6,8 V, und ihr maximaler Dauerdurchlassstrom beträgt 20 mA, daher habe ich einen Strom von 10 mA durch die LEDs angestrebt. Da meine Versorgungsspannung nur 24 V beträgt, plante ich, tatsächlich etwa 5,75 V über die LEDs abfallen zu lassen, um mir etwas Headroom für die an M2 und R2 abgefallene Spannung zu geben.

Den Wert für den Strombegrenzungswiderstand R2 bei 100Ω habe ich mit:

R = v s − v f ich = 24 − ( 5.75 ∗ 4 ) 0,01 = 100 Ω

Vor dem Aufbau dieser Schaltung habe ich die von R2 verbrauchte Leistung wie folgt berechnet:

P = v 2 R = 1 2 100 = 0,01 W

0,01 W schienen sicher unter der 0,25-W-Grenze der von mir verwendeten Durchgangslochwiderstände zu liegen, also fuhr ich mit dem Bau und Testen dieser Schaltung fort.

Um es kurz zu machen: R2 brannte kurz nach dem Aufleuchten eines Segments ab. Dies trat für jede der separaten Instanzen dieser Schaltung auf, die die verschiedenen Anzeigesegmente ansteuerte, was darauf hindeutet, dass es sich eher um einen Konstruktionsfehler als um einen Ausfall einer einzelnen Komponente handelte.

Aus meinen Berechnungen und weiteren Analysen kann ich noch nicht verstehen, warum dies geschah. Um meine Arbeit zu überprüfen, habe ich die Schaltung in einem Simulator nachgebaut, der vorschlug, dass die Leistung von R2 tatsächlich 6,84 mW betragen würde, was ein Ergebnis ist, das ich nicht erklären kann, aber auf jeden Fall eins kleiner als das, was ich oben berechnet hatte.

Ich vermute, dass ich irgendwo in meinen Berechnungen oder meinen Annahmen einen Fehler gemacht habe, aber ich konnte ihn nicht finden. Angenommen, das Problem besteht darin, dass der Widerstand tatsächlich zu viel Leistung abführt, kann meine Schaltung angepasst werden, um dies zu beheben? Ist R2 hier ein Ablenkungsmanöver und das Problem besteht an anderer Stelle in meiner Schaltung? Ist mein Ansatz selbst fehlerhaft?

Messen Sie die tatsächliche Spannung an jeder der LEDs, wenn Sie mit Ihrem 100R-Widerstand und der 24-V-Stromversorgungsschiene arbeiten. Messen Sie zur Sicherheit auch die Spannung über dem Widerstand.
Gemäß Ihrer Schaltung legen Sie 24 V an das Gate von M2. Dies beantwortet Ihre Widerstandsfrage nicht, aber sobald es funktioniert, möchten Sie M2 nicht verbrennen! Ich kann auf einem FQU13P06L nicht schnell Daten finden, aber vermutlich haben Sie sie.
Ihre Leistungsberechnung stimmt nicht mit dem Simulationsergebnis überein, da Sie den Spannungsabfall über dem PMOS M2 nicht berücksichtigen. Wie groß ist die Sättigungsspannung, die darüber abfällt?
Zweitens @DwayneReid. Ein Multimeter sollte dieses Rätsel ziemlich schnell lösen.
Danke für den Tipp zur Gate-Spannung an M2 ... Ich habe das bei meiner ersten Arbeit nicht verstanden, aber ich sehe es jetzt. Ich gehe davon aus, dass ich eine separate Frage zur Lösung haben werde, nachdem ich dies ein bisschen mehr durchdacht habe, obwohl ich meine Versorgungsspannung sowieso verringern muss (gemäß den Antworten unten), damit sich das Problem wahrscheinlich ändert
Dwayne, danke für den Tipp mit den Maßen. Normalerweise geht es mir nur darum, die Antwort zu finden, aber ich war ein wenig nervös, meinen Stromkreis hier mit schwelenden Widerständen zu belassen. Ich hätte wahrscheinlich noch ein paar Minuten mehr Zeit zum Messen gehabt, aber ich fühlte mich im Moment nicht so sicher!
/skeptisch gegenüber 6,8-V-LEDs. Ich würde diese LED-Kette der Serie an ein anständiges Netzteil anschließen, mit dem Sie Konstantstrom und Konstantspannung wählen können. Stellen Sie die maximale Spannung auf Minima, den maximalen Strom auf 20 mA ein und erhöhen Sie die Spannung langsam. Es wird einen Punkt geben, an dem der Strom aufhört zu steigen und bei 20 mA zu stecken und die Stromversorgung in den CC-Modus wechselt. Das ist die tatsächliche Spannung dieser LEDs.

Antworten (4)

6,8 Volt scheinen für eine einzelne LED schrecklich hoch zu sein. Sind Sie sicher, dass 6,8 nicht die Zahl für alle vier LEDs ist? Das wären 1,7 Volt pro LED, was für eine rote LED vernünftiger ist. Und das würde bedeuten, dass Sie derzeit 172 Milliampere oder fast 3 Watt durch Ihren Widerstand schieben.

Wenn das der Fall ist, sollten Sie Ihre Stromversorgung auf weniger als 20 Volt (vielleicht 12 Volt) absenken, um das Gate Ihres MosFET (M2) nicht zu zerstören.

Markus hat recht. R2 muss etwa 1800 Ohm für 10 mA bei 24 V betragen.
Vielen Dank! Ich war zu dem Schluss gekommen, dass dies eine Zahl pro LED war, da der Dezimalpunkt nur zwei Ziffern hat, und ich hatte erwartet, dass dies nicht für alle vier LEDs gelten könnte, aber Ihre Erklärung macht Sinn, warum dies keine gültige Schlussfolgerung ist.
Zu meiner eigenen Erbauung sowie zur Neuberechnung habe ich es mit den LEDs bei 1,7 V Durchlassspannung neu simuliert und bestätigt, dass tatsächlich auch in der Simulation ~ 3 W an R2 verbraucht wurden.
Nun, das oder fügen Sie 8 oder 9 weitere LEDs hinzu. Nutzen Sie den Strom, der sonst als Wärme verschwendet würde.
@Passerby Fügen Sie sie hinzu, warum? Wenn er hundert LEDs hatte und vorhatte, sie zu viert gleichzeitig anzusteuern, dann sollte er natürlich mehr in Reihe laufen lassen. Da dies aber eindeutig nicht der Fall ist, ist dies nicht sehr hilfreich. Es ist wie "Oh, sie verschenken heute Hundefutter, also muss ich einen Hund kaufen". :)
@Graham, weil Sie genauso gut mehr Licht als mehr Wärme haben könnten. Lässt diese "Effizienz" -Zahl steigen :)
@hobbs "Effizienz" ist ein Maß dafür, wie viel Energie in das investiert wird, was Sie tun möchten, und wie viel Sie verbrauchen. Wenn die Energie in etwas geht, das Sie nicht wollen, spielt es keine Rolle, ob das Wärme, Licht oder irgendetwas ist - es ist immer noch genauso ineffizient. Der OP braucht nicht mehr Licht, also braucht er nicht mehr LEDs. Und wenn Sie Komponenten ohne triftigen Grund einspannen, sinkt Ihre Kosteneffizienz.
@Graham es war ein Witz :P

Ich sehe dein Problem. Ihre Schaltung zeigt, wie Sie ein einzelnes LED-Segment ansteuern. (Ich nehme an, Sie haben dann 7 dieser Schaltkreise, einen für jedes Segment.) Das Datenblatt zeigt 4 LEDs in Reihe, die das Segment abdecken.

Was Sie falsch gemacht haben, ist die Annahme, dass pro LED ein Durchlassspannungsabfall von 6,8 V auftritt. Es gibt keine solche rote LED. Typischerweise hat eine rote LED einen Durchlassspannungsabfall von etwa 1,6 V bis 1,8 V, und das ist ein Merkmal der beteiligten Physik, sodass nicht wirklich viel Spielraum für Variationen besteht. Dies sagt mir, dass Sie einen Durchlassspannungsabfall von 6,8 V für alle vier LEDs in diesem Segment in Reihe haben .

Bei einem Spannungsabfall von 6,8 V und einer Versorgung von 24 V fallen also 17,2 V über den 100R ab. Wie Mark sagt, ergibt dies 172 mA und 2,96 W Verlustleistung am Widerstand. Nicht gesund für einen 0,25-W-Widerstand.

Tatsächlich haben Sie Glück, dass der 0,25-W-Widerstand unter diesen Bedingungen im Grunde genommen zu einer Sicherung wird und fast sofort durchbrennt. Wenn dies nicht der Fall wäre, würde das Durchführen von 172 mA durch das Display das ziemlich schnell durchbrennen, und ein großes 7-Segment-Display wird ein gutes Stück teurer sein als ein Widerstand. Wenn Sie einen leistungsstärkeren Widerstand verwendet hätten, würden Sie sich fragen, warum das Display tatsächlich kurz sehr hell blinkte und dann für immer schwarz wurde.

Danke für diese Antwort! Ich habe Marks Antwort akzeptiert, weil es früher war, aber beide waren großartige Antworten und ich wünschte, ich hätte beide akzeptieren können. Die Klarstellung, dass der Widerstand in diesem Fall als Sicherung fungierte, war hilfreich, um darüber nachzudenken, was hier passiert ist.
@MartinAtkins Fair genug. Mark war zuerst da – ich habe nur ein bisschen mehr Details an den Rändern hinzugefügt. :) Schön, dass es hilfreich war.
@MartinAtkins Allgemein über SE sprechen, nicht speziell über diesen Thread: Sie sollten eine Antwort nicht akzeptieren, nur weil sie zuerst ist. Sehen Sie sich die vielen Threads in SE an, in denen die erste Antwort äußerst schlecht ist und oft gelöscht wird, sobald dies offensichtlich wird. Wenn später eine kommt, die Ihre Frage besser beantwortet, können - und sollten Sie wahrscheinlich - Ihre akzeptierte Antwort ändern.

Du hast es falsch verstanden.

Die Durchlassspannung im Datenblatt gilt für eine Reihe von LEDs , nicht für einzelne LEDs.

Somit ist der Spannungsabfall über LEDs 6.8Vund nicht 6.8V * 4oder5.xV *4

Somit muss der Widerstand behandelt werden 17.2Vund nicht 0..2V.

Dadurch wird der Strom .17Aund die Leistung dissipiert ~4W.

Was genau fügt diese Antwort hinzu, was andere Antworten noch nicht herausgefunden haben?
Gute Frage. Ich denke, diese Antwort ist sowohl prägnant als auch genau.

Abhängig von der Nennleistung (Innenwiderstand) und der Farbe der LED (Vf), muss der 100-Ohm-Widerstand die gesamte zusätzliche Spannung von 24 - 4xVf -4Ir ... Vf ~ 3 V für Weiß, 2 V für andere Farbe tragen. Die meisten LEDs haben einen hohen Widerstand, außer Power-LEDs wie die von Cree ... Wenn der Widerstand 12 V hält, beträgt die Leistung ~ v2 / r 1,5 W Watt ... fügen Sie mehr LEDs hinzu.

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