¿Por qué se quemó mi resistencia LED al encender cuatro LED en serie?

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Intenté crear un circuito para cambiar una gran pantalla LED de 7 segmentos ( LDS-CD16RI ) usando un par de MOSFET, de la siguiente manera:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Aquí estoy tratando de usar una señal lógica de 3.3V (ilustrada como el círculo 1) para cambiar los 24V para controlar los LED. Este circuito se repite para cada uno de los segmentos de la pantalla.

El voltaje directo típico de cada uno de los LED (que están en serie dentro de cada segmento de la pantalla) es de 6.8V, y su corriente directa máxima estable es de 20mA, por lo que apunté a una corriente de 10mA a través de los LED. Dado que mi voltaje de suministro es de solo 24 V, planeé dejar caer aproximadamente 5,75 V a través de los LED para tener algo de margen para el voltaje caído en M2 y R2.

Llegué al valor para la resistencia limitadora de corriente R2 a 100Ω usando:

R = \frac{V_{s} - V_{F}}{yo} = \frac{24 - (5,75 * 4 4)}{0,01} = 100 Ω

$R = \frac{V_s - V_f}{I} = \frac{24 - (5.75*4)}{0.01} = 100Ω$

Antes de construir este circuito, calculé la potencia disipada por R2 de la siguiente manera:

PAG = \frac{V^{2}}{R} = \frac{1^{2}}{100} = 0,01 W

$P = \frac{V^2}{R} = \frac{1^2}{100} = 0.01\mathrm{W}$

0.01W parecía estar por debajo del límite de 0.25W de las resistencias de orificio pasante que utilicé, así que procedí a construir y probar este circuito.

Para abreviar una larga historia: R2 se quemó poco después de que se iluminara un segmento. Esto ocurrió para cada una de las instancias separadas de este circuito que controla los diversos segmentos de la pantalla, lo que sugiere que fue un error de diseño en lugar de una falla de un solo componente.

Según mis cálculos y análisis posteriores, aún no puedo entender por qué ocurrió esto. Para verificar mi trabajo, reconstruí el circuito en un simulador que sugería que la potencia de R2 sería de hecho 6.84mW, que es un resultado que no puedo explicar, pero en cualquier caso uno más pequeño de lo que había calculado anteriormente.

Espero haber cometido un error en algún lugar de mis cálculos o mis suposiciones, pero no he podido localizarlo. Suponiendo que el problema es que la resistencia realmente está disipando demasiada potencia, ¿se puede ajustar mi circuito para abordar esto? ¿Es R2 un arenque rojo aquí y el problema existe en otra parte de mi circuito? ¿Mi enfoque en sí es defectuoso?

led resistors 7segmentdisplay

— Martin Atkins
fuente

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Mida el voltaje real en cada uno de los LED cuando funcione con su resistencia 100R y el riel de alimentación de 24V. Para una buena medida, también mida el voltaje a través de la resistencia.

— Dwayne Reid

2

Según su circuito, está poniendo 24 v en la puerta de M2. Esto no responde a su pregunta de resistencia, pero una vez que está funcionando, ¡no querrá quemar M2! No puedo subir datos rápidamente en un FQU13P06L, pero presumiblemente lo tienes.

— Neil_UK

su cálculo de potencia no coincide con el resultado de la simulación porque no considera la caída de voltaje en el PMOS M2. ¿Cuál es la caída de voltaje de saturación a través de él?

— Anklon

2

Segundo @DwayneReid. Un multímetro debería resolver este misterio bastante rápido.

— Daniel

Gracias por el consejo sobre el voltaje de la puerta en M2 ... No lo entendí en mi trabajo inicial, pero lo veo ahora. Espero tener una pregunta por separado sobre cómo resolver eso después de pensarlo un poco más, aunque necesito disminuir mi voltaje de suministro de todos modos (según las respuestas a continuación) para que eso pueda cambiar el problema

— Martin Atkins

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6.8 voltios parece terriblemente alto para un solo LED. ¿Está seguro de que 6.8 no es el número de los cuatro LED? Eso lo haría 1.7 voltios por LED, lo cual es más razonable para un LED rojo. Y eso significaría que actualmente está empujando 172 miliamperios, o casi 3 vatios a través de su resistencia.

Si ese es el caso, debe reducir su fuente de alimentación a menos de 20 voltios (tal vez 12 voltios) para evitar destruir la puerta de su MosFET (M2).

— marca
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Mark está en lo correcto. R2 debe ser de aproximadamente 1800 ohmios para 10 mA a 24 V.

— winny

¡Gracias! Llegué a la conclusión de que este era un número por LED porque el punto decimal solo tiene dos dígitos y, por lo tanto, esperaba que no pudiera ser para los cuatro LED, pero su explicación tiene sentido por qué esa no es una conclusión válida.

— Martin Atkins

1

Para mi propia edificación, así como para volver a calcularlo, lo volví a simular con los LED a una tensión directa de 1.7V y confirmó que, de hecho, ~ 3W también se estaba disipando en R2 en la simulación.

— Martin Atkins

1

Bueno, eso o agregar como 8 o 9 leds más. Use el poder que de otra forma se desperdiciaría como calor.

— Passerby

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@Passerby ¿Agregarlos por qué? Si tenía cien LED y planeaba conducirlos de cuatro en cuatro, entonces, por supuesto, debería estar ejecutando más en serie. Pero como claramente ese no es el caso, esto no es de mucha ayuda. Es como "oh, están regalando comida para perros hoy, así que necesito comprar un perro". :)

— Graham

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Veo tu problema Su circuito muestra cómo conduce un solo segmento LED. (Supongo que tiene 7 de estos circuitos, uno para cada segmento). La hoja de datos muestra 4 LED en serie, que cubren el segmento.

Donde te equivocaste es asumir que hay una caída de voltaje directo de 6.8V por LED. No existe tal LED rojo. Por lo general, un LED rojo tendrá una caída de voltaje directa de 1.6V-1.8V, y esa es una característica de la física involucrada, por lo que no hay mucho margen para la variación. Esto me dice que tiene una caída de voltaje directo de 6.8V para los cuatro LED en ese segmento en serie .

Entonces, con una caída de voltaje de 6.8V y un suministro de 24V, está dejando caer 17.2V en el 100R. Como dice Mark, esto le da una disipación de potencia de 172mA y 2.96W en la resistencia. No es saludable para una resistencia de 0.25W.

De hecho, tienes suerte de que la resistencia de 0.25 W básicamente se convierta en un fusible en esas condiciones y se queme casi de inmediato. Si no fuera así, poner 172mA a través de la pantalla lo quemaría bastante rápido, y una pantalla grande de 7 segmentos será bastante más cara que una resistencia. Si hubiera usado una resistencia de mayor potencia, se estaría preguntando por qué la pantalla parpadeó brevemente y luego se volvió negra para siempre.

— Graham
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Gracias por esta respuesta! Acepté la respuesta de Mark porque era anterior, pero ambas fueron excelentes respuestas y desearía haberlas aceptado. La aclaración de que la resistencia actuó como un fusible en este caso fue útil para pensar en lo que sucedió aquí.

— Martin Atkins

@MartinAtkins lo suficientemente justo. Mark estuvo allí primero, solo agregué un poco más de detalle en los bordes. :) Me alegro de que haya sido útil.

— Graham

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@MartinAtkins Hablando en general sobre SE, no este hilo específicamente: no debe aceptar una respuesta simplemente porque es la primera. Vea los muchos hilos en SE donde la primera respuesta es extremadamente pobre y a menudo se elimina una vez que se hace evidente. Si aparece uno más tarde que responde mejor a su pregunta, entonces puede, y probablemente debería , cambiar su respuesta aceptada.

— underscore_d

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Lo entendiste mal.

El voltaje directo en la hoja de datos es para series de LED , no para LED individuales.

Por lo tanto, la caída de voltaje a través de los LED es 6.8Vy no 6.8V * 4o5.xV *4

Por lo tanto, la resistencia tiene que lidiar 17.2Vy no 0..2V.

Así se .17Adisipa la corriente y el poder ~4W.

— Dima Tisnek
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¿Qué agrega exactamente esta respuesta que otras respuestas ya no descubrieron?

— Thomas Weller

Buena pregunta. Creo que esta respuesta es concisa y precisa.

— Dima Tisnek 01 de

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depende de la potencia nominal (resistencia interna) y el color del led (Vf), la resistencia de 100 ohmios debe soportar todo el voltaje adicional de 24 - 4xVf -4Ir ... Vf ~ 3V para blanco, 2V para otro color. La mayoría de los LED tienen una alta resistencia, excepto los LED de alimentación, como los de Cree ... Si la resistencia tiene 12 V, la potencia será de ~ v2 / r 1.5W vatios ... agregue más cadenas de LED.

— meñique
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¡Bienvenido a EESE! Su respuesta es muy difícil de leer y no parece responder efectivamente la pregunta. Vuelva a formatear su respuesta y asegúrese de que responda con precisión la pregunta.

— user2943160