¿Caídas de voltaje y corriente para LED?

Creé el siguiente circuito en una placa de pruebas y utilicé el suministro Arduino Uno 3.3V para la fuente de alimentación:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
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En el sitio web de Arduino se menciona que el pin de 3.3V tiene una corriente de 0.05A. De acuerdo con KVL, esto nos daría 3.3V - (330 Ohms * 0.05A) - Caída de voltaje a través del LED = 0

De acuerdo con la ecuación, la caída de voltaje en el LED será negativa y, por lo tanto, el LED NO debe encenderse. Sin embargo, en la placa el LED se ilumina ... ¿POR QUÉ? Esto va completamente en contra de la teoría básica ... ¿es esto normal? ¿O solo es posible porque he cometido un error en alguna parte? = O

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

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

El voltaje, la corriente y la resistencia pueden modelarse razonablemente bien mediante una analogía del agua. El voltaje es similar a la presión de bombeo o 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 del Arduino fue lo que impulsó lo que sucedió, cuando lo que importa es el voltaje o la presión de bombeo.

Si el circuito 3V3 del 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 |-----
 |                              ```````    |
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(3.3V)                                     |
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La ecuación clave aquí (un arreglo de la ley de Ohm) es

• I = V / R

Esto dice que la corriente aumentará al aumentar el voltaje aplicado y disminuirá al aumentar la resistencia. Aquí hay un factor adicional 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 algún límite inicial, el voltaje no aumentará linealmente con la corriente, sino que aumentará a una tasa menor que la tasa de aumento de corriente.

Reorganizando esa ecuación que obtienes

• R = V / I

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

Cuando se opera 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 2.8V a través del LED, tener una caída de, digamos, 3V3 (= 3.3 voltios) a 20 mA (que suele ser la corriente máxima de diseño para LED con plomo de 3 mm y 5 mm) ,) y se queme por el exceso de corriente, digamos 3V8 a través del LED. Las cifras típicas variarán, pero eso da una idea. Un LED rojo moderno puede tener una caída de voltaje directo cuando funciona a una corriente nominal de 2.5 V y un LED infrarrojo puede funcionar a 1.8V típico. Al calcular la corriente del LED, puede comenzar utilizando la típica caída de voltaje directo de la hoja de datos del LED.

LED rojo típico

Aquí está la hoja de datos para un LED rojo moderno típico . Es un Kingbright WP7113ID. Lo elegí al encontrar el LED con plomo de 5 mm más barato en existencia vendido por Digikey. En 1 es de 11 centavos de dólar EE.UU.

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

Operación a 20 mA

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

• R = (V_supply - V_LED) / I

Para V_LED = 2v0 y Vsupply = 3V3 obtenemos

• R = (3.3 - 2.0) / .020 = 1.3 / .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 de LEd PUEDE ser de hasta 2V5 a 20 mA. Veamos qué pasaría si usáramos un LED con Vf = 2.5V a 20 mA.

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

Aquí usamos ahora 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 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 constantes, o circuitos que se aproximan a una fuente de corriente constante. Pero, esa es otra historia.

Operación con resistencia de 330 ohmios

Para su resistencia 330R.

Con LED Vf = 2V0. I_LED = V / R = (3.3-2V) / 330 = ~ 4 mA

Con LED Vf = 2V5. I_LED = V / R = (3.3-2.5V) / 330 = ~ 2.4 mA

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

I_LED = V / R = (3.3-1.8) / 330 = 4.5 mA

Entonces, la corriente del LED puede variar de 2.4 mA a 4 mA = una relación 1: 1.666 dependiendo del LED Vf.

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

Podemos ver que Vf es de aproximadamente 1.7 V a 2 mA y aproximadamente 1.78 V a 4 mA, por lo que el valor supuesto de 1.8 V es lo suficientemente bueno para nuestros propósitos.

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

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

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

Tienes que comenzar con la caída de voltaje del LED. Es 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 necesitas. Si la caída de voltaje del LED fuera de 2V, entonces el voltaje de la resistencia sería de 3.3V - 2V = 1.3V, 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 sería demasiado grande, se ajusta automáticamente a un valor más bajo al reducir la corriente.

Nota: 50 pin es lo que el pin puede entregar. Lo que ofrece 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.

Para la mayoría de las situaciones, el cálculo anterior, que supone una caída de voltaje LED fija, es suficiente, pero a veces desea una respuesta más exacta, que tenga en cuenta el voltaje directo 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.

$\Omega$$\dfrac{3V}{100\Omega}$
$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$

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 daños / sobrecalentamiento, pero no es algo que tome medidas para limitarse a

• la caída de voltaje a través del LED es mayor de lo que piensa, por lo tanto, la caída de voltaje a través de 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 enumeró un voltaje directo de 1.85v, que le daría una caída de 1.45v a través de la resistencia y una corriente de 44 ma (que es 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 una fuente de batería de 3v)

Si tiene un voltímetro (o tal vez la propia entrada analógica del arduino) puede medir el voltaje del nodo entre la resistencia y el LED y determinar las caídas respectivas a través de la resistencia y el LED, y por lo tanto la corriente de la caída a través de 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 tratar de tomar de ella. Lo que realmente obtienes para la 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.