¿Caídas de voltaje y corriente para LED?

El problema es que (todavía) no comprende la teoría básica correcta para aplicar :-).

Sin embargo, felicitaciones por intentar resolverlo usted mismo. Sigue así y pronto te familiarizarás con cómo calcularlo correctamente.

El voltaje, la corriente y la resistencia se pueden modelar razonablemente bien mediante una analogía con el agua. El voltaje es similar a la presión de bombeo o la presión de "cabeza" en un depósito, la corriente es similar al flujo de corriente y la resistencia es similar a la resistencia de la tubería al flujo de agua o la resistencia al flujo que ofrece un motor hidráulico.

Entonces, el "error" con su modelo supone que la clasificación actual de Arduino fue lo que impulsó lo que sucedió, cuando lo que importa es el voltaje o la presión de bombeo.

Si el circuito 3V3 de Arduino tiene una clasificación de 50 mA, esta es la corriente máxima que se debe permitir que fluya , y no la cantidad de corriente que debe fluir.

Usando su diagrama de circuito de arte ASCII:

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

La ecuación clave aquí (una disposición de la ley de Ohm) es

• Yo = V/R

Esto dice que la corriente aumentará con el aumento del voltaje aplicado y disminuirá con el aumento de la resistencia. Hay un factor adicional agregado aquí solo para hacer las cosas más interesantes. Los LED actúan aproximadamente como un "sumidero" de voltaje constante. Es decir, a medida que la corriente aumenta por encima de un límite inicial, el voltaje no aumentará linealmente con la corriente; aumentará pero a una tasa menor que la tasa de aumento actual.

Reorganizando esa ecuación obtienes

• R = V/I

Esto le permite calcular el valor de resistencia necesario para obtener una corriente dada con un voltaje disponible dado. Antes de que podamos aplicarlo, hay un problema que debemos entender.

Cuando se operan en sus rangos de corriente de diseño, la mayoría de los LED tienen un rango razonablemente limitado de caídas de voltaje. Un LED blanco moderno puede comenzar a emitir luz visiblemente con una "caída" de aproximadamente 2,8 V en el LED, tener una caída de, por ejemplo, 3V3 (= 3,3 voltios) a 20 mA (que suele ser la corriente de funcionamiento máxima de diseño para LED con plomo de 3 mm y 5 mm) ,) y se queman por el exceso de corriente en, digamos, 3V8 a través del LED. Las cifras típicas variarán, pero eso da una idea. Un LED rojo moderno puede tener una caída de tensión directa cuando funciona con una corriente nominal de 2,5 V y un LED infrarrojo puede funcionar con una tensión típica de 1,8 V. Al calcular la corriente del LED, puede comenzar usando la caída de voltaje directa típica de la hoja de datos del LED.

LED rojo típico

Aquí está la hoja de datos de un LED rojo moderno típico . Es un Kingbright WP7113ID. Lo elegí buscando el LED con plomo de 5 mm más barato en stock vendido por Digikey. En 1 son 11 centavos de dólar estadounidense.

La hoja de datos dice que el voltaje directo es típicamente de 2.0 V a 20 mA, así que usaré esa cifra.

Funcionamiento a 20 mA

Debido a que el LED tiene un voltaje aproximadamente constante, necesitamos restar ese voltaje del voltaje disponible que "bombea" corriente a través de la resistencia. Diseñaremos el circuito para dar 20 mA, el valor máximo nominal de los LED. Entonces nuestra fórmula anterior se convierte en.

• R = (V_alimentación - V_LED)/ I

Para V_LED = 2v0 y Vsupply = 3V3 obtenemos

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

68 ohmios es el valor de resistencia estándar "E12"* más cercano.

La caída de voltaje a través de la resistencia = 3.3 - 2.0 = 1.3V - como arriba. La hoja de datos dice que el Vf del LED PUEDE ser tanto como 2V5 a 20 mA. Veamos qué pasaría si usáramos un LED con Vf = 2.5V a 20 mA.

Como arriba I = V/R = (Vsuministro-VLED)/R

Aquí ahora usamos I = (3.3-2.5)/68 = 0.8/68 = 0.00176A ~= 12 mA.

Así que diseñamos para 20 mA pero obtuvimos alrededor de 12 mA en este caso. Del mismo modo, si el Vf del LED hubiera sido inferior a 2,0 V a 20 mA (como puede suceder), la corriente habría sido superior a 20 mA. En general, la corriente del LED podría variar en > 2:1 debido a las variaciones de producción en el Vf de los LED. Esta es la razón por la que el diseño de la unidad LED "real" utiliza fuentes de corriente constante o circuitos que se aproximan a una fuente de corriente constante. Pero, esa es otra historia.

Funcionamiento con resistencia de 330 ohmios

Para su resistencia 330R.

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

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

La hoja de datos no dice cuál es el mínimo de Vf, solo típico y máximo, pero supongamos que es 1.8V.

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

Por lo tanto, la corriente del LED puede variar de 2,4 mA a 4 mA = una relación de 1:1,666 según el Vf del LED.

PERO el Vf en la hoja de datos era de 20 mA. A medida que cae la corriente, Vf caerá "algo". Aquí están las características del LED elegido de su hoja de datos.

Podemos ver que Vf es aproximadamente 1,7 V a 2 mA y aproximadamente 1,78 V a 4 mA, por lo que el valor asumido de 1,8 V es lo suficientemente bueno para nuestros propósitos.

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• E12: la serie de resistencias más común con un 5 % de precisión: 12 resistencias por década.

Serie de números preferida: busque E12 y luego lea el resto también :-)

E12 específico - valores y códigos de color - más enfocado pero menos útil en general

Tienes que empezar con la caída de voltaje del LED. Es eso lo que determina la corriente, no al revés. La razón es que el voltaje del LED es más o menos fijo, mientras que la corriente será variable y se adaptará a las demandas del circuito.
KVL es de hecho lo que necesita. Si la caída de voltaje del LED fuera de 2 V, entonces el voltaje de la resistencia sería de 3,3 V - 2 V = 1,3 V y, por lo tanto, la corriente en el circuito

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

Entonces, si la caída de voltaje sobre la resistencia fuera demasiado grande, automáticamente se ajusta a un valor más bajo al reducir la corriente.

Nota: Los 50 mA es lo que puede entregar el pin . Lo que entrega en realidad depende de lo que pide el circuito, y eso no debería ser mayor. Y en nuestro caso es mucho más bajo, así que está bien.

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Para la mayoría de las situaciones, el cálculo anterior, que supone una caída de tensión fija del LED, es suficiente, pero a veces desea una respuesta más exacta, que tenga en cuenta la tensión directa variable. La mayoría de las veces no tendrá una ecuación para la corriente frente al voltaje directo, sino solo un gráfico. Eso significa que no puedes resolverlo analíticamente. Veremos que es fácil de resolver gráficamente.

El truco está en la línea roja. En el gráfico dado, esta es la línea de carga para un 100$\Omega$resistencia y una fuente de 3V. Para dibujar la línea, encuentra los puntos donde se cruza con los ejes. El punto en el eje X es el voltaje de la fuente de alimentación, aquí 3V. El punto en el eje Y es la corriente si el voltaje del LED fuera 0V, entonces$\dfrac{3V}{100\Omega}$= 30 mA. Es posible que deba extender el gráfico para que el eje Y se vuelva visible.
La línea roja muestra la corriente para un voltaje de LED dado. Si el voltaje del LED es de 3V, la corriente es 0. Si el voltaje del LED es de 2V, la corriente del LED es$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$= 10mA, etc. La función es lineal, de ahí la línea recta.
Ahora todo lo que tiene que hacer es encontrar el punto donde la línea de carga se cruza con el gráfico LED. Entonces, para la situación dada, el voltaje del LED será de 1,81 V y la corriente de 12 mA. Es así de fácil, sin complicaciones con fórmulas complicadas.

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Consulte también esta pregunta para averiguar cómo calcular el valor de la resistencia.

Dos posibilidades:

• la clasificación actual es lo que el dispositivo de abastecimiento puede manejar sin daño/sobrecalentamiento, pero no es algo a lo que tome medidas para limitarse

• la caída de voltaje en el LED es más alta de lo que cree, por lo tanto, la caída de voltaje en la resistencia y la corriente a través de ella son inferiores a 50 ma. Una hoja de datos de LED aleatoria que acabo de desenterrar enumeraba un voltaje directo de 1.85v, lo que le daría una caída de 1.45v en la resistencia y una corriente de 44 ma (que resulta ser el doble de lo recomendado para el LED que elegí) es posible que desee considerar una resistencia más grande: los viejos kits de radio shack usarían 680 ohmios con un suministro de batería de 3v)

Si tiene un voltímetro (o tal vez la propia entrada analógica de arduino), puede medir el voltaje del nodo entre la resistencia y el LED y determinar las caídas respectivas en la resistencia y el LED, y por lo tanto, la corriente de la caída en la resistencia conocida .

La respuesta corta:

La corriente no será 0.05A simplemente porque la especificación del suministro dice 0.05A; cuando una especificación de fuente de alimentación proporciona una corriente, eso es solo el máximo que debe intentar tomar de ella. Lo que realmente termina obteniendo por corriente depende de la carga.

Dicho esto, puede obtener respuestas cuantitativas para este caso particular a partir de algunos de los buenos gráficos que se han proporcionado en las otras respuestas.