Diferente caída de tensión en circuito serie y paralelo con resistencia

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Figura 1. (a) Solo una resistencia. (b) Serie de LED. (c) LED paralelos.

P: ¿Cómo es que obtengo un voltaje diferente después de la resistencia, dependiendo de cómo estén conectados los LED? ¿Por qué el comportamiento de la resistencia no es constante?

Primero considere la resistencia por sí sola - Figura 1a. De la Ley de Ohm podemos calcular la corriente a través de él como$I = \frac {V}{R} = \frac {9}{10k} = 0.9~mA$. Este es el máximo que podemos obtener y agregar LED lo reducirá.

Mirando la Figura 1b, puede ver que la misma corriente pasa por todos los elementos del circuito.

Figura 2. Un gráfico LED típico de corriente frente a voltaje directo. Tenga en cuenta que incluso con corrientes diminutas (< 1 mA), la caída de tensión directa no cambia mucho.

Podemos ver en la Figura 2 que la lectura de 1,65 V que está obteniendo en cada uno de los LED es correcta.

Ahora, ¿qué sucede cuando conectas los LED en paralelo? Todavía estaremos limitados a un máximo de 0,9 mA a través de la resistencia, pero ahora tiene que dividirse en dos vías a través de D3 y D4. Obtendrán alrededor de 0,45 mA cada uno. Volviendo a la Figura 2, podemos ver que seguirán cayendo alrededor de 1,6 V más o menos.

Tenga en cuenta que agregar los LED reduce el voltaje a través de la resistencia y, por lo tanto, reduce la corriente disponible. Para la Figura 2b, la corriente real será$\frac {9-3.3}{10k} = 0.57~mA$. Para la Figura 2c será$\frac {9-1.65}{10k} = 0.735~mA$lo que ayuda un poco cuando se comparte la corriente.

[Del comentario de OP:] Volviendo a las analogías, a menudo veo que el circuito se describe como un tubo, la corriente es el agua que contiene, la bomba es el voltaje y la manguera de jardín es la resistencia, lo que reduce el voltaje y limita la corriente.

La analogía del agua no es buena, pero intentémoslo. Para parecerse a un circuito eléctrico, el agua tendrá que fluir en un circuito cerrado, como un sistema de calefacción central de agua caliente. La bomba de agua caliente eleva la presión a la salida de la bomba (la batería eleva la tensión). Alimentamos a través de las tuberías (la resistencia) a dos válvulas de retención conectadas en serie o en paralelo.

Figura 2. La válvula de retención es el diodo del plomero. El agua solo puede fluir de una manera. Se requiere una cierta presión para vencer el resorte. Esto provoca una caída de presión en la válvula, pero una vez que la válvula está abierta, la caída de presión no cambia mucho, incluso con corrientes altas. Fuente: Modificado de la imagen de Gentec .

Ahora pongamos algunos números en nuestro sistema. La bomba eleva la presión a 9. (Piense en psi, bar, pascales, pulgadas de mercurio o lo que quiera). Las válvulas se abrirán a 1,65. Si las conectamos en serie como en la Figura 1b, debe quedar claro que si las válvulas se abren, la lectura de presión en la parte superior de D2 será de 1,65 y por encima de D1 será de 3,3. Si los conectamos como se muestra en la Figura 1c, ambos se abrirán cuando la presión llegue a 1,65.

1) ¿Por qué cuando está en serie, el primer LED no consume 2V y el segundo LED no se queda solo con el resto?

Los LED y las resistencias no "consumen" voltaje de la misma manera que su manguera no consume presión. El voltaje cae o "disminuye el voltaje" a través de la resistencia o el LED de la misma manera que ocurren pérdidas de presión en el sistema de agua.

2) Cuando dice a través de la resistencia, quiere decir que esta es la corriente dentro de ella, pero después de eso, los LED mismos la reducen, porque también son, de hecho, resistencias, y es por eso que obtienen 0.45 mA cada uno, en su lugar. de los 0.57mA?

Si bien tienen resistencia, no los llamamos resistencias porque no son lineales al igual que la válvula de retención. Además, la corriente no "baja" porque lo que deja la batería en un terminal debe volver al otro.

Espero que eso ayude.

Tiene que ver con la naturaleza logarítmica de la corriente frente al voltaje en un diodo con polarización directa.

Dado que son elementos no lineales, el voltaje aumenta logarítmicamente al aumentar la corriente (y la corriente aumenta exponencialmente al aumentar el voltaje).

Está subestimando los LED, en ambas situaciones. Entonces los diodos apenas se encienden. Probablemente necesiten más como 5-15 mA cada uno.

Echemos un vistazo a cada caso.

Series case:  (9-3.3)V/(10Kohm) = .57mA through both LED's
Parallel case: (9-1.65)V/(10Kohm) = .7mA total, or .35mA per LED

En ambos casos la corriente es muy baja.

Para probarte esto a ti mismo, comienza con la ecuación básica del diodo:

Puede ver que se necesita un gran aumento en la corriente para aumentar mucho el voltaje. También echa un vistazo a este gráfico para ver un LED aleatorio.

Simplemente conectemos nuestros números de antes (difícil de ver la diferencia):

Series - .57mA => 1.0423V
Parallel - .35mA => 1.02V

Este es un cambio muy bajo en el voltaje. Dado que es un LED aleatorio (acabo de buscar en Google 'voltaje de corriente de LED logarítmico', obviamente no coincidirá con sus números. Pero la tendencia será similar entre todos los diodos.

Está viendo el elemento incorrecto en el circuito en cuanto a por qué el voltaje es diferente en ese nodo.

Los LED en sí mismos son los que tienen "resistencia ajustable", la resistencia es constante pero la configuración de su LED está cambiando y los LED son dispositivos no lineales (lo que significa que pueden cambiar dependiendo de varios factores).

Los 3,3 V después de la resistencia son las caídas de voltaje directo de dos LED seguidas, cuando los LED están en serie, y los 1,65 V son una caída directa de un solo LED. Supongo que estos son rojos. Una cosa más: 10k ohmios ya que la resistencia de balasto es muy alta, por lo que deberían ser muy tenues. No sé por qué eligió eso, pero si desea ver LED más brillantes, use una resistencia como 1k o 1.5k Ohms.

La resistencia sigue siendo la misma resistencia, pero la forma en que configura los LED cambia la carga y, por lo tanto, la corriente a través de la resistencia cambia, que es como se ve la diferencia de voltaje. Cuando los LED están en serie, comparten la misma corriente y se combinan sus voltajes directos. Si tuviera que calcular qué resistencia usar para una corriente establecida, use el voltaje restante entre el suministro y todos los voltajes de LED en serie (9v - 3.3v = 5.7v) y use la ley de Ohms para resolver la corriente requerida. Digamos que 5mA es la corriente objetivo:

R = V/I, R = 5,7/0,005 = 1140 ohmios.

Si tenía los dos LED en paralelo, sabe que sus voltajes directos en paralelo son "los mismos" (esto no es realmente cierto, se basa en la tolerancia de fabricación, la temperatura, etc.), por lo que dice que el voltaje en el nodo es 1.65V . Si queremos que pasen 5 mA por cada LED, necesita 10 mA a través de la resistencia y, con suerte, los LED compartirán 5 mA por igual cada uno. La resistencia en este caso, se encuentra así:

R = V/I, R = (9-1,65)/0,01 = 7,35 V/0,01 = 735 ohmios.

¿Ves cómo, en lugar de esperar que la resistencia original haga que los LED actúen de la misma manera, trabajamos hacia atrás una vez que conocemos nuestra configuración de LED? Esto se debe a que los LED NO son dispositivos completamente estáticos/que no cambian. De hecho, a medida que aumenta la corriente directa, también lo hace su voltaje directo. Consulte las hojas de datos para conocer la caída de tensión directa del LED para una corriente directa determinada.

Cuando un LED está polarizado hacia adelante, tiene una caída de voltaje hacia adelante más o menos constante. En su caso, eso es aproximadamente 1,65 voltios.

Cuando los dos LED están en paralelo, hay una caída de 1,65 voltios en uno o ambos LED, ya que están conectados a los mismos dos puntos. Con una caída de 1,65 voltios en los LED, eso deja alrededor de 7,35 voltios en la resistencia. Usando la ley de Ohm, podemos calcular que alrededor de 0.7 mA fluirán a través de esa resistencia. Se dividirá aproximadamente con la mitad pasando por cada LED. Eso es bastante tenue.

Con los dos LED en serie, hay una caída de 1,65 voltios en cada uno. Eso deja 5,7 voltios en la resistencia. Usando la ley de Ohm, calculamos que aproximadamente 0,5 mA fluirán a través de los dos LED (toda la corriente fluye a través de ambos LED). Lamentablemente. .5mA todavía es apenas suficiente para encender un LED.

La resistencia está actuando exactamente igual en ambos casos. La relación de corriente a voltaje es idéntica en ambos casos.

Para que fluya más corriente a través de los LED, debe usar una resistencia más pequeña.