Los LED parecen autorregularse automáticamente para lograr el voltaje ideal entre los terminales

La respuesta a su pregunta es "Sí", al menos hasta cierto punto. Un LED es un diodo y los semiconductores tienen un comportamiento no lineal. Esas son palabras elegantes que significan "no como una resistencia". En particular, el hecho de que no conducen corriente (significativa) hasta que alcanzan un cierto voltaje es principalmente lo que ha encontrado. Los diodos de silicio tendrán alrededor de 0,6 a 0,7 voltios cuando conducen; también lo hará la unión base-emisor de un transistor. El germanio hace lo mismo a alrededor de 0,3 voltios. Los diodos Zener tienen este comportamiento en algún voltaje inverso nominal. Los LED hacen esto a alrededor de 3 voltios (depende del color debido a los materiales y el dopaje).

Después de que la unión del diodo esté conduciendo, si intenta aumentar el voltaje, el diodo intentará conducir más corriente. Eso es porque una vez que está conduciendo, actúa como si tuviera una resistencia en serie bastante baja. De hecho, un modelo simple de diodo es una fuente de tensión en serie con una pequeña resistencia. Si, en su circuito, hay alguna otra resistencia significativa (sus 100k son mucho más que suficientes), entonces el aumento de voltaje aparece en esa resistencia y el diodo simplemente consume más corriente.

He visto un LED rojo usado como regulador de voltaje. No era un regulador particularmente bueno, pero fue suficiente para hacer el trabajo en esa aplicación.

La tensión directa y la corriente de los LED se describen en la curva I/V:

Al limitar la corriente con la resistencia equivalente a 50 kOhm, probablemente coloque el LED en la región con aproximadamente 3 V de voltaje directo (si eso es lo que midió).

En realidad el cálculo sería:

120Vrms - 3V = 50000R * i

yo = 117/50000 = 0.00234A = 2.34mA

pd: IRL no usa una sola resistencia en serie con 120 V CA, normalmente no están clasificados para soportar un pico de 200 V. Usar múltiples en serie. O no experimente con 120 V CA en absoluto si es un principiante.

pps: las diferencias medidas IRL pueden explicarse por las tolerancias de voltaje de la resistencia, el LED y el enchufe de CA. (de los comentarios: Además, medirá CA rectificada. Muchos multímetros no manejan bien eso ya que hacen un cálculo aproximado de los valores RMS considerando una onda sinusoidal).

Creé la "curva I/V aleatoria de Internet" que Wesley seleccionó para su respuesta. Todavía estoy trabajando en ello, ya que las curvas no son del todo correctas para ninguna familia de LED en particular, pero sigue siendo útil para explicar ciertos conceptos.

No estoy seguro de entender completamente su pregunta, pero publiqué otra variante del gráfico en un artículo 'Resistencia' de un LED que puede ser relevante.

Figura 1. Un LED se puede aproximar a una resistencia con una fuente de tensión fija.

Si observamos una curva LED IV típica, podemos ver que es aproximadamente lineal en gran parte de su rango útil. Esto nos permite modelar el LED como una resistencia y fuente de voltaje.

Figura 2. Modelo de circuito equivalente de LED.

En la Figura 1, la línea gris está razonablemente cerca de la curva LED de 20 mA a 100 mA. Podemos calcular la resistencia que esto representa a partir de la ley de Ohm V=IR pero en este caso veremos el cambio de voltaje y corriente en el área de interés.

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

También podemos ver que la línea cruza el eje X en Vf = 2,0 V. Nuestro circuito equivalente para esta región de interés es (con referencia a la Figura 2) R1 = 15 Ω y V1 = 2,0 V.

En comparación con las resistencias paralelas de 100k en su modelo, la resistencia de 15 Ω en mi modelo se ve empequeñecida y el LED se comportará como una fuente de voltaje constante como descubrió.

Como tiene una fuente de alimentación de banco y un multímetro, puede trazar la curva I/V para los LED que tiene. Preparé un video un poco largo para eso en la página de curvas IV .

Olvídese de todos los gráficos de lujo. En realidad es bastante simple. Si tiene un dispositivo que requiere aproximadamente$3\:\textrm{V}$a través de él y están aplicando$120\:\textrm{V}$a través de una resistencia, entonces tienes una muy buena fuente de corriente. Entonces, el LED en sí no importará tanto. Es así de simple:

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

Esto funciona para:

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

Así que con$R\approx 50\:\textrm{k}\Omega$, esto significa que si$\textrm{d}V_{LED}=1\:\textrm{V}$, entonces$\textrm{d} I=60\:\mu\textrm{A}$. Eso no es mucho cambio en la corriente para un cambio de voltaje completo en el voltaje del LED. una corriente de$2.4\:\textrm{mA}$se convertiría$2.34\:\textrm{mA}$, si no$2.46\:\textrm{mA}$, dependiendo de un cambio de voltaje completo en el valor requerido del LED. Eso no es mucha variación.

En términos de porcentaje, calcularías:

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

En resumen, un cambio del 33% en el voltaje del LED daría como resultado$-0.075\cdot 33\%\approx -2.5 \:\%$cambio en la corriente en el LED.

Así que esa es una regulación bastante buena. La razón se debe principalmente al enorme valor de la resistencia que está utilizando aquí. Si fuera más pequeño, la regulación sería más pobre.

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Otra razón separada a considerar es que los LED varían en su voltaje según la ecuación de Shockley:

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

O,

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

Adjunto$V_T\approx 26\:\textrm{mV}$y$n\approx 2$, usted esperaría sobre$50\:\textrm{mV}$cambio en el voltaje del LED para una duplicación de la corriente a través de él. Eso no es un gran cambio de voltaje para un cambio bastante significativo en la corriente a través del LED. Y para obtener ese tipo de cambio, tendría que duplicar la corriente a través$R$, también. Y sabes que eso no puede pasar. Entonces, el resultado es que solo hay un cambio muy modesto en el voltaje a través del LED, incluso con un cambio significativo en la corriente a través de él.

Esos gráficos elegantes te muestran este efecto. Y eso se haría cargo y explicaría las cosas, si tuviera un voltaje mucho más pequeño para caer. Pero en su caso, incluso si no fuera la ecuación de Shockley sino algún otro comportamiento, aún tendría una buena regulación debido a ese enorme voltaje que está desechando. También tendría una buena regulación con una bombilla de bajo voltaje, por ejemplo. Entonces, si bien este efecto explicaría una buena regulación con una fuente de bajo voltaje, no es la razón aquí.

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No se requieren curvas. Es solo que tiene MUCHO margen de voltaje aquí y esto representa una buena regulación.

Si necesita ver esto de otra manera, imagínese un enorme voltaje de$1,000,000\:\textrm{V}$a través de una resistencia de$100\:\textrm{M}\Omega$. la corriente sera$10\:\textrm{mA}$, ¿bien? Supongamos que tiene un LED insertado allí. ¿Cuánto cambiaría la corriente si el LED necesitara$10\:\textrm{V}$en lugar de solo$3\:\textrm{V}$? No mucho, ¿verdad? Debido a que el voltaje de la fuente es tan grande y debido a que la resistencia de caída debe disminuir gran parte del voltaje, las variaciones en el voltaje del LED casi no tienen ningún efecto sobre la corriente a través del LED.

Es tan simple como eso.

Transistor lo clavó en un comentario. El LED no es bueno para autorregularse, es todo lo contrario. El LED es tan malo para autorregularse que convierte la resistencia en un regulador útil.

Un ejemplo extremo

Piense en los emisores de luz en general . Las incandescentes son lineales, asterisco*. Ya sabes de LED, no muy lineal. Incluso menos lineales son la familia de descarga de arco (fluorescente, neón, sodio, mercurio, haluro): aisladores hasta que se enciende el arco, luego un cortocircuito total. Una cosa que todos los emisores de luz tienen en común es que funcionarían bastante bien con corriente constante.

Así que tomemos un ejemplo más extremo. Todo lo que tiene es una línea de distribución de 2400 V CA sobre su depósito de chatarra, una bombilla y un enchufe de sodio de alta presión de 400 W (idealmente 4 A @ 100 V-ish) y una enorme resistencia de 1k ohm 20kw. Lo conectas en serie Line -- Resistor -- HPS bulb -- Line. ¿Lo que sucede?

En estado de reposo, la resistencia de la bombilla es infinita, fluye 0 corriente, la resistencia cae 0 V, por lo que se presentan 2400 V en el enchufe. Ese es el voltaje de arco de una bombilla HPS. Ahora la bombilla está encendida y tiene un cortocircuito absoluto, o lo suficientemente cerca de uno.

Ahora que la corriente está fluyendo y la bombilla está tratando de emular un cortocircuito total, casi toda la caída de voltaje está en la resistencia: E = IR 2400V = I * 1000ohm. Estamos fluyendo como máximo 2,4 amperios -5%. Esto está bien dentro del rango de trabajo de una bombilla HPS de 400 W, por lo que probablemente produzca 200-230 vatios de luz amarilla ictérica. El deseo de la bombilla de ser un punto muerto está haciendo que la resistencia sea un mejor regulador. Sin la resistencia, la bombilla se derretiría incluso a un voltaje cercano a su voltaje de funcionamiento, por ejemplo, 120 V.

Este ejemplo no es extremo debido al alto voltaje (es solo un voltaje de trabajo de 24x en lugar de su 40x). Es extremo porque las luces de descarga son extremadamente malas para autorregularse.

Casi lo mismo con LED

Olvídese de todas esas matemáticas complicadas (guiño a Jonk aquí), el ejemplo anterior es la esencia. La resistencia tiene una impedancia tan grande que incluso una desviación significativa en las características del LED (desde el binning, la temperatura, la edad) es poco probable que cambie las matemáticas (si es que pudiera llamarlas matemáticas).

Esto funciona porque el voltaje de entrada es un múltiplo tan grande del voltaje de trabajo del LED, que la resistencia hace todo el trabajo. Si estuviéramos corriendo mucho más cerca (LED de 3 V en un suministro de 12 V o incluso de 5 V), entonces necesitamos el lápiz afilado y resolverlo en detalle como lo comentan Jonk y Transistor.

Por supuesto, es un desperdicio quemar toda esa energía en una resistencia. Pero hacer funcionar una bombilla incandescente no se considera un desperdicio, y son lineales . A veces me he preguntado sobre el uso de una bombilla incandescente como (efectivamente) balasto para un LED o luz de descarga. Se complementarían entre sí, las fortalezas de uno ayudarían a las deficiencias del otro.

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* Las bombillas incandescentes apagadas tienen una resistencia muy baja (casi un punto muerto), su resistencia aumenta bruscamente a medida que comienzan a brillar, estableciéndose en una resistencia relativamente constante a lo largo de su rango de trabajo. Si les aplica un voltaje constante , inicialmente aumentan la corriente, esto se llama corriente de entrada . Esto vuelve locos a los electricistas: obtienes ese agradable relé de control de 20A, y la letra pequeña dice "5A de tungsteno" debido a la corriente de entrada. ¡Argh! Por otro lado, si conducía lámparas incandescentes de corriente constante, se comportarían muy bien: eliminar el impacto del poder de arranque extendería su vida significativamente. Y serían más fáciles de aprovisionar, en realidad podría obtener 20A de ese relé. Desafortunadamente, la "clasificación de tungsteno" llegó para quedarse, también se aplica a los balastos electrónicos para iluminación de descarga y controladores LED... su inicio también provoca una irrupción (límites de carga, etc.) luces encendidas...

Felicidades. Acabas de descubrir la "brecha de banda". Es el rango de energía en el que no existe ningún estado de electrones. Su voltaje es el potencial necesario para eliminar electrones de sus órbitas en una escala masiva para que puedan rozar el semiconductor y también dejar agujeros, lo que permite que más electrones se rocen.

En las tecnologías de silicio NP, esa brecha de banda es de aproximadamente 0,7 V. En los LED, esa brecha de banda se modifica para que el voltaje al que se produce el efecto fotoeléctrico tenga un voltaje específico y, por lo tanto, energía cuantificada específica para los fotones y, por lo tanto, longitud de onda y, por lo tanto, color. La corriente controla cuánto sucede esto y, por lo tanto, el brillo del LED.

Eso es solo sobre la física que conozco sobre estas cosas, ya que yo mismo no soy físico.

El problema de los métodos de cálculo en Ingeniería Eléctrica es que no aceptan la presencia de funciones por tramos en modelos matemáticos no aproximativos de los circuitos. Piensan que solo es así cuando estamos haciendo aproximaciones y completamente ausente cuando hacemos Análisis Complejo. Eso es cierto cuando se trata de circuitos pasivos, donde todo es lineal (obedece a Transformaciones lineales). Incluso lo que parece un cambio combinatorio en la corriente o el voltaje se resuelve simplemente mediante convenciones de signos (no se trata de dónde va la corriente hacia la izquierda o hacia la derecha, sino si va o sale de un solo terminal de un componente).

Pero es un mundo diferente cuando se trata de circuitos "activos". Las funciones por partes realmente existen allí, ya sea que use aproximaciones o funciones complejas muy precisas. Puede tener 2 dispositivos activos en serie cuyas ecuaciones dicen que tendrán una corriente diferente a través de ellos y, haga lo que haga, simplemente no puede hacer que estén de acuerdo o "converjan" en una sola corriente. Tienes que elegir uno. Es el mínimo. ¿Esas simulaciones SPICE en las que tanto confías? Ya SÍ usan funciones por partes, o la mayoría de sus simulaciones de circuitos digitales nunca convergerán y terminarán.

Debido a esto, su circuito anterior tendrá la corriente:

$$I_T = I_s(e^(\frac{V_T - I_T R}{n V_t} - 1))$$ Es el diodo el que controla la corriente aquí y sí, los diodos son componentes activos, ya que rompen las ecuaciones lineales definidas individualmente.

Así que simplemente tenemos:

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

El único problema por el que no es exacto es que usamos un V_D bastante constante de 0.7V, en lugar de usar siempre$n*V_T*ln(\frac{I_T}{I_S} + 1)$. Por otra parte, la ecuación de Shockley TAMBIÉN es una aproximación, pero puedes usar ecuaciones más complejas.

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TAMBIÉN, no compre en Lees's Electronics, podrían equivocarse al proporcionarle piezas reservadas para mí y podría terminar con componentes defectuosos.

Yo no haría eso en un modelo de producción. Los LED no están clasificados para voltaje inverso de 120 VCA (pico de 170 V). Lo único que mantiene cuerdo el voltaje inverso en el LED1 es el hecho de que el LED2 está funcionando y mantiene el voltaje en 3v. Si LED2 tiene un problema, de repente LED1 está viendo una corriente inversa máxima de 170 V, kaboom.

Conecte en serie cada LED con un diodo bueno para una corriente inversa máxima de 170 V.

Dicho esto, planeo hacer exactamente esto con 75 V CC, que es incluso más enérgico que 120 V CA, pero la corriente inversa no es un problema en ese caso.