¿Por qué se enciende el LED a pesar de que el voltaje de suministro es < voltaje directo?

Tiene razón: el voltaje directo depende de la corriente directa.

El voltaje directo que ve en la tabla de valores típicos es para una corriente de 20 mA, que es demasiado alta cuando los 3 colores se usan al mismo tiempo (nota al pie de página dos en la tabla de valores nominales absolutos en la página 3: 15 mA es el máximo en ese caso).

Cuando observa el diagrama 2 en la hoja de datos , puede ver la relación entre el voltaje directo y la corriente directa. Lo que ve aquí es que para un voltaje directo de 3,3 V, se puede esperar una corriente directa de 20 mA. Con 3V, serían 8mA. Un valor de resistencia más alto no hace que esto sea más confiable, solo hace que el LED sea más oscuro. Desea que la resistencia sea lo más pequeña posible.

La resistencia debe ser lo suficientemente grande como para reducir el voltaje directo a aproximadamente 3,1 V con una corriente de 15 mA; esto significaría un valor de aproximadamente 13,3 ohmios (aunque el del LED rojo debe ser más grande).

Si este LED es utilizable para usted depende del brillo que necesita. Si no necesita que se encienda por completo (o usa una versión con mayor intensidad, consulte la página 4), funcionaría. Si quiere estar seguro de que puede usar la intensidad completa, necesita usar otra. Olin tiene razón: la variación entre lotes también puede significar que algunos son más brillantes que otros. Para garantizar un brillo uniforme, debe controlar la corriente que fluye a través de los LED.

"Típico" en las hojas de datos no significa nada útil. Esos son en su mayoría números de marketing y, por lo general, vendedores que intentan verse bien.

Las especificaciones mínimas y máximas son lo que importa. No es sorprendente que un LED que normalmente tiene 3,6 V a través de él en su corriente máxima de funcionamiento se ilumine un poco a 3,3 V. La corriente es probablemente considerablemente menor que la corriente total, pero algunos LED son tan brillantes que todavía son fácilmente visibles en su banco a una pequeña fracción de la corriente máxima.

No, este modelo de LED no se encenderá de forma fiable con 3,3 voltios. Encontraste uno que lo hizo, y los próximos 1000 que obtengas también podrían, pero los siguientes 10000 después de eso podrían ser demasiado tenues. A menos que la hoja de especificaciones le diga explícitamente lo que obtiene a 3.3 V, debe asumir que no hay garantía. En realidad, probablemente obtendrá algo de luz a 3,3 V, pero la cantidad de esa luz podría variar fácilmente de una parte a otra.

Los LED no son diodos ideales, por lo que el punto de "encendido" (Vf) no es una transición perfectamente nítida. Si observamos la curva IV de un LED típico, podemos ver esto:

El Vf a menudo se toma a, por ejemplo, 20 mA (algunas hojas de datos darán un par de Vfs a diferentes corrientes)

De esto podemos ver que es difícil controlar un LED alterando el voltaje a través de él, por lo que para un mejor control se necesita un controlador de corriente constante. Puede comprar muchos circuitos integrados dedicados a esta tarea, o puede lanzar su propia fuente simple.
Con un controlador de corriente constante, si los LED Vf varían (proceso, temperatura, etc.), el controlador compensa para mantener la corriente constante, por lo que esta es la forma de hacer las cosas si desea que la corriente sea exacta independientemente de la variabilidad de la pieza (nota aunque el brillo en XmA puede ser diferente, ya que esto también varía)

Conducción de LED con un voltaje de suministro superior, inferior o superior/inferior al voltaje de salida

Hay diferentes tipos de controladores de LED: algunos son solo un limitador de corriente constante básico y otros utilizan una topología de refuerzo (o reductor) o bomba de carga para proporcionar un rango de cumplimiento más amplio para la corriente constante.

Controlador de corriente constante simple:

Un controlador de corriente constante simple perderá la regulación a medida que el voltaje se acerque al voltaje de suministro (debido a la caída en el elemento limitador ) .

Impulsar el controlador LED

Un controlador de LED que utiliza una topología de impulso (al igual que un regulador de conmutación pero configurado para corriente constante en lugar de voltaje) aún proporcionará una corriente constante, pero aumenta su voltaje por encima del rango de suministro para permitir la conducción de LED en serie con un Vf total por encima de la tensión de alimentación:

Controladores LED SEPIC, Buck-Boost, Cuk

Bien, ¿qué pasa con el caso en que el voltaje de entrada varía por encima y por debajo del voltaje de salida? Un caso típico podría ser cuando se usa una batería de iones de litio que puede variar entre ~ 4,3 V - ~ 2,7 V y se necesita una salida de 3 V para impulsar la corriente deseada a través de los LED.
En este caso, usamos un controlador SEPIC, buck-boost o Cuk. Todos pueden hacer lo mismo aquí, pero tienen diferentes topologías (la razón por la que elegiría uno sobre el otro es una lectura adicional que puede querer hacer: hay muchos Libros / Notas de aplicaciones por ahí...)

De todos modos, aquí hay un ejemplo de un circuito SEPIC que usa el LM3410 :

Y aquí hay una tabla de la eficiencia en el voltaje de entrada por encima y por debajo del voltaje de salida, puede ver que la regulación de la corriente del LED se mantiene perfectamente:

(También estoy confundido por qué colocaron la corriente directa en el eje Y en lugar de X, dado que la corriente es lo que uno variaría aquí).

Me dijeron que un diodo conduce según la caída de voltaje en los pines. Es por eso que la corriente que puede fluir está directamente relacionada con la caída de voltaje en el diodo (o LED). Es por eso que el voltaje es X y la corriente es el eje Y.