¿Por qué un LED tiene un voltaje máximo?

Al alimentar un circuito LED simple (fuente de alimentación de CC, LED, resistencia), ¿importa la tensión de alimentación, siempre que se utilice el valor de resistencia límite de corriente calculado correctamente?

En otras palabras, ¿hay / podría haber algo inherentemente incorrecto encendiendo un LED con 12V o 24V siempre que use la resistencia correcta, conozca el voltaje directo del LED, conozca la corriente máxima y lo calcule usando algo como esto , ¿cuándo podría haber alimentado el mismo LED con un suministro de 3.5V conociendo las mismas variables y usando el mismo sitio web?

Supongo que hay un límite para la cantidad máxima de voltaje que se usará para el LED aquí ... cuando miro la tabla de características eléctricas para el CREE XP-G, por ejemplo, muestra la corriente en función del voltaje, con voltaje que comienza en alrededor de 2.5V @ 0ma, máximo a alrededor de 3.25V @ 1500ma (la corriente máxima a la que se clasifica el LED, como se describe en la tabla de Características en el mismo documento.

Después de 3.25V, el gráfico muestra la corriente que se acerca rápidamente al infinito.

Supongo que esto se relaciona con mi pregunta, solo tengo curiosidad por saber cómo está todo relacionado. Estoy seguro de que es todo lo básico de la ley de Ohm, agradecería una aclaración de las matemáticas en el trabajo.

No hay límite en el voltaje, per se, que usted usa para alimentar el circuito que impulsa el diodo. El diodo solo se preocupa por lo que el diodo puede ver, y no puede ver la caída de voltaje a través de la resistencia limitadora de corriente.

Dicho esto, en algún momento lo que le importará es la potencia disipada a través de la resistencia, que es $I^2R$. Si desea mantener la corriente constante en el caso de una caída de voltaje requerida, entonces R eventualmente se hará grande y se disipará demasiada energía. La potencia que pueden ejecutar las resistencias de plomo axiales del molino es de 1/4 vatios. Para una corriente de 20 mA, eso significa limitar la potencia a través de la resistencia a 1/4 vatios, no puede exceder los 625 ohmios, lo que significa que puede soltar al máximo 12.5 voltios a través de ella, y está limitado a una fuente de alimentación de aproximadamente 14.5V para un LED rojo. Es peor para las resistencias SMD de paquetes pequeños, que a menudo son de 1/8 vatios o menos. Si necesita una mayor caída de voltaje, tendría que cambiar a una resistencia de mayor potencia, que puede ser físicamente grande y más costosa.

En cuanto a por qué el voltaje real a través del LED no cambia drásticamente dada la elección adecuada de la resistencia limitadora de corriente, una forma conveniente de ver esto es con la técnica de "línea de carga". De http://i.stack.imgur.com/1cUKU.png , (Imagen de dominio público de Wikimedia):

$V_D = 0$$V_{DD}/R$$V_D = V_{DD}$$V_{DD}$ este punto no se moverá tan dramáticamente como crees que podría en términos de la caída de voltaje final a través del diodo, debido a lo empinada que es la curva del diodo.

El propósito de la resistencia en serie es regular la corriente a través del LED. El voltaje directo del LED entra en el cálculo de la resistencia limitadora de corriente.

No hay nada fundamentalmente malo en usar un voltaje más alto si dimensiona la resistencia limitadora de corriente de manera apropiada para el voltaje. Al mismo tiempo, estará disipando más potencia en la resistencia limitante actual. Por lo tanto, necesitará una resistencia con suficiente potencia nominal.

En general, la corriente del diodo aumenta exponencialmente con el voltaje:

donde c es una constante dependiendo de la geometría, dopaje, temperatura, etc.

Esta es la razón por la cual un LED de alta potencia siempre debe ser impulsado por una corriente constante y no por una fuente de voltaje constante. Pequeñas variaciones de c (p. Ej., Cambio de temperatura) o U causarían un cambio masivo en la corriente.

La resistencia en serie funciona, porque su resistencia suele ser mucho mayor que la resistencia diferencial de un LED. Desde la perspectiva del LED, la fuente de voltaje más la resistencia se comporta como una fuente de corriente.

¿Importa la tensión de alimentación, siempre que se utilice el valor de resistencia límite de corriente calculado correctamente?

No. Los diodos son dispositivos actuales. Tienen una caída de voltaje que debe tener en cuenta en su circuito, pero funcionan con corriente y siempre que limite la corriente adecuadamente y enfríe el diodo si es necesario (para LED de alta potencia), entonces no hay límite de voltaje de suministro .

El voltaje en el propio LED será la caída de voltaje del diodo, que dependerá un poco de la corriente a través del diodo, pero principalmente de la composición del diodo. La aplicación de un voltaje demasiado grande en los terminales del diodo (es decir, sin la limitación de corriente) dará como resultado una corriente superior al límite del diodo y dañará el LED.

Sin embargo, con la limitación de corriente adecuada, puede usar una fuente de alimentación de un millón de voltios para alimentar un LED. Aunque en ese punto tendrá que verificar el aislamiento adecuado entre los terminales de las diferentes partes ...

Un LED tiene un "voltaje máximo" porque su resistencia disminuye drásticamente, al igual que en cualquier otro diodo, ya que su voltaje directo aumenta más allá de su rodilla, y este aumento en el voltaje a través del LED junto con el aumento de corriente a través de él (debido a la disminución de su resistencia hacia adelante) aumenta la potencia que el LED debe disipar y, por lo tanto, su temperatura de funcionamiento. Luego, si se permite que la corriente a través de la unión del LED aumente más allá de su clasificación máxima absoluta, su vida útil se acortará y el humo mágico escapará, tarde o temprano.

En el caso del CREE XP-G al que se refirió, tomé el diagrama de corriente directa de voltaje directo VS de la hoja de datos y lo superpuse con el diagrama de resistencia directa VS de voltaje directo derivado como se muestra a continuación. Más bien crudo porque no hice ningún ajuste de curva, pero es fácil ver el gran cambio en la resistencia directa para el pequeño cambio de 250 milivoltios en el voltaje directo de 2.5 a 2.75 voltios.

Debido a esta extrema sensibilidad al voltaje y a que la ubicación de la rodilla de un diodo no se puede predecir con gran certeza, los LED generalmente no son impulsados ​​por fuentes de voltaje sin procesar, sino por fuentes de voltaje constante de corriente constante o actual diseñadas para nunca permitir el producto de la corriente a través del LED y el voltaje caído por el LED para exceder la potencia nominal del LED.

Para LED de alta potencia, no económicos como el XP-G, se puede utilizar una fuente de corriente constante con buena ventaja porque mantendrá la corriente a través del LED fija, independientemente de las variaciones en el LED Vf o la entrada de voltaje a la corriente constante suministro. Sin embargo, lo más común es que se use una resistencia en serie con una fuente de voltaje para limitar la corriente a través del LED.

El valor de la resistencia se determina restando el Vf mínimo especificado del LED del voltaje de salida máximo de la fuente, y luego dividiendo esa diferencia por la corriente del LED deseada. Esa resistencia asegurará que el "voltaje máximo" del LED nunca se excederá, y puede ver que no hay límite (bueno ...) para el voltaje de fuente permitido ya que la resistencia eliminará todo lo que el LED no necesita .

Voy a cubrir el voltaje inverso máximo (a veces visto como el voltaje inverso) del diodo. El PIV es el voltaje al que la unión del diodo comienza a descomponerse cuando se polariza inversamente (es decir, el voltaje está al revés). Para la mayoría de los LED es relativamente bajo (5V es típico; hice una búsqueda rápida y encontré 3 fabricantes diferentes que tenían 5V). Dependiendo de la fuente de energía, puede no importar (una batería de bajo voltaje lo convierte en un punto relativamente discutible) Otras fuentes de energía, como los convertidores de CA / CC, pueden tener un alto voltaje con la polaridad de diseño opuesta por un breve tiempo cuando la fuente o los dispositivos controlados, como los relés, se encienden y apagan.
Por lo tanto, cualquier aplicación que tenga una fuente de alimentación superior a 5 V debe tener protección inversa para el LED. Este puede ser un diodo polarizado invertido a través del LED para una protección simple u otras técnicas más avanzadas.