¿El brillo del LED cambia con el voltaje?

Cuando era joven y aprendía acerca de la electricidad, una herramienta fabulosa para comprender el voltaje / corriente / resistencia era una bombilla incandescente (en mi caso, era una pequeña bombilla de 3V). Cuando duplicó el voltaje al poner dos baterías en serie, brillaba 4 veces más brillante, pero se calentó más y era más propenso a quemarse. Cuando colocas dos bombillas en serie, brillan 1/4 como brillantes. Cuando los pones en paralelo, brillaban normalmente, pero agotaban la batería dos veces más rápido. Etc.

Hoy en día, sin embargo, las bombillas incandescentes se están apagando, y los LED las están reemplazando por una buena razón (como no quemarlas cada pocos meses). Pero los LED son diferentes y siguen reglas diferentes, que no me entiendo muy bien.

Me preguntaba: ¿se pueden usar los LED de la misma manera? Sé que para que un LED pueda utilizarse de manera similar a una bombilla clásica, debe ponerlo en serie con una resistencia, de lo contrario, consume demasiada corriente y se quema. Creo que incluso puedes comprar LED con resistencias incorporadas. ¿Pero funcionarían de la misma manera? ¿Los cambios de voltaje irían acompañados de los cambios correspondientes en el brillo?

Los LED son una bestia muy diferente en comparación con las bombillas incandescentes. Los LED pertenecen a una clase de dispositivo conocido como dispositivos no lineales . Estos no siguen la Ley de Ohm en el sentido clásico (sin embargo, la Ley de Ohm todavía se usa junto con ellos).

Un LED es (obviamente) una forma de diodo. Tiene un voltaje directo que es el voltaje al que el diodo comienza a conducir. A medida que aumenta el voltaje, también lo hace la conducción del diodo, pero lo hace de manera no lineal .

Con un LED, es la cantidad de corriente que fluye a través de él lo que determina qué tan brillante es. El aumento del voltaje aumenta la corriente, sí, pero la región donde eso sucede sin que la corriente llegue demasiado es muy pequeña. En la curva roja de arriba puede ser un poquito alrededor de 1.5V, y para cuando llegue a 2V la corriente está fuera de la escala y el LED se apaga.

Poner los LED en serie suma los voltajes directos, por lo que debe proporcionar un voltaje más alto para que comience la conducción, pero la región controlable sigue siendo igual de pequeña.

Entonces controlamos la corriente en lugar del voltaje, y tomamos el voltaje directo como un valor fijo. Al incluir una resistencia en el circuito para llenar el espacio entre el voltaje de suministro y el voltaje directo, limitar la corriente en el proceso, o al usar un suministro de corriente constante , podemos establecer la corriente que queremos que fluya a través del LED y así establece el brillo. Al aumentar la corriente, pero sin aumentar el voltaje (o solo una cantidad insignificante, y de manera puramente incidental), aumentamos el brillo.

La fórmula para calcular la resistencia a usar para una corriente específica es:

$V_S$$V_F$$I_F$

No, un LED por sí mismo (sin resistencias u otros componentes electrónicos) se comporta de manera bastante diferente a una bombilla.

Eche un vistazo a esta hoja de datos de un LED aleatorio.

Desplácese hacia abajo a la página con muchos gráficos. El tercer gráfico muestra la intensidad relativa (luz) frente a la corriente a través del LED:

(Fuente: hoja de datos 334-15 / T1C1-4WYA)

Notarás que esta curva es algo lineal, lo que significa que el doble de la corriente te daría aproximadamente el doble de luz.

Lo que hemos aprendido: el brillo de un LED es algo proporcional a la corriente que lo atraviesa.

Pero, ¿qué corriente obtienes para cierto voltaje?

Mira el gráfico 2:

(Fuente: hoja de datos 334-15 / T1C1-4WYA)

Corriente directa vs voltaje directo, observe cómo la corriente aumenta rápidamente para un voltaje superior a 3 voltios. ¡Solo 0.5 V más da 4 veces la corriente! Esta curva también cambia entre LED y sobretemperatura.

Por eso es mejor alimentar los LED con una corriente en lugar de un voltaje. Si alimenta un LED a con voltaje, la corriente no es muy predecible, por lo que tampoco lo es el brillo. Además, la potencia alimentada al LED variará ya que la potencia es voltaje x corriente.

Es mejor mantener un LED a una corriente constante, por eso se necesitan resistencias en serie, estas limitan la corriente al valor deseado. No exactamente pero lo suficientemente cerca para la mayoría de los propósitos.

Con la resistencia en serie en su lugar, un LED (+ resistencia) se comporta más como una bombilla en el sentido de que el cambio de brillo es más proporcional al voltaje que aplica.

Las bombillas LED y incandescentes son casi opuestas en características.

• Los LED caen en R con el aumento de voltaje.

• La resistencia de BULB aumenta 10 veces cuando se enciende. Esto se debe a un gran PTC térmico exponencial (+) de un filamento de tungsteno. Mientras tanto, los LED son todo lo contrario, con un pequeño valor lineal NTC (-).

  • Los LED no pueden manejar voltajes negativos. Todos están clasificados @ -5V absoluto máx.
  • BOMBILLAS van fácilmente en ambos sentidos, AC-DC

• Los LED usan un enlace de cable ultrasónico "micron delgado", porque la soldadura lo mataría.

• BOMBILLAS ... operan a 2500'C

  • Los LED necesitan protección ESD.
  • BOMBILLAS absorben ESD sin ningún problema.

• Los LED vienen en todos los colores del arcoíris y más allá.

• BOMBILLAS son todas iguales, en tonos de blanco

  • Los LED pueden detectar luz con una pequeña corriente de salida como los fotodiodos.
  • Las BOMBILLAS no pueden detectar la luz.

• Los LED tienen un solo lado, incluso con un sustrato transparente.

• Las BOMBILLAS son omnidireccionales.

Entonces, cuando lo sumas todo, debes entender las diferencias para que funcionen en el mismo entorno de energía. O bien, confíe en una solución de ingeniería para que sean fáciles de usar.

Si comprara LED con resistencias incorporadas, funcionarían (casi) exactamente de esa manera.

La salida de luz de los LED es casi proporcional a la corriente en un amplio rango.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$$I=(V_b/R_i)$

$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$

$I=(V_b/(2*R_i))$

Por lo tanto, al colocar 2 LED con resistencias en serie incorporadas en serie, la corriente cae a la mitad de la corriente inicial.

El brillo de un LED depende principalmente de la corriente que fluye a través de él.

Una bombilla incandescente convencional es efectivamente una resistencia, sigue la ley de ohmios V = I * R. Si duplica el voltaje, la corriente se duplicará y la potencia utilizada aumentará en un factor de 4 (no es del todo cierto, hay algo de temperatura efectos relacionados pero lo suficientemente cerca por ahora).

Un LED por otro lado es un diodo, como la mayoría de los diodos tiene un voltaje de polarización directa relativamente fijo. Por debajo de ese voltaje no fluye corriente, por encima de ese voltaje el flujo de corriente es ilimitado pero el voltaje se reduce por el voltaje de polarización. (Esta es una simplificación masiva pero es lo suficientemente buena para la mayoría de los cálculos aproximados)

Este voltaje dependerá de los materiales utilizados y, por lo tanto, dependerá del color. Típicamente ~ 1.8-2V para rojo, amarillo o verde, ~ 3V para azul, blanco o "verde verdadero". Esta caída de voltaje aumentará con la corriente pero solo en 0.1-0.2V, normalmente puede ignorar este efecto.

Como indicó en su pregunta, los LED generalmente están conectados con una resistencia en serie para limitar la corriente. ¿Por qué?

Piense en el LED como una caída de voltaje fija, usará una cantidad fija de voltaje sin importar la corriente. Entonces, si conecta un LED de 2V directamente a una fuente de 3V, quedará 1V para soltar en el resto del circuito. El resto del circuito en este caso serán las resistencias internas en la fuente de alimentación y los cables. Estas resistencias suelen ser bastante bajas (tan bajas que normalmente las ignoras) y así fluirá una gran corriente.

Asumiendo que las resistencias están en la región de 0.1 omhs, esto daría una corriente de I = V / R = (3-2) / 0.1 = 10 amperios.

La potencia disipada en el LED sería P = I * V = 10 * 2 = 20 vatios.

Esto calentaría muy rápidamente el LED hasta el punto donde se destruye. El mundo real es un poco más complejo ya que el LED no es la caída de voltaje fija perfecta de resistencia cero asumida, pero el resultado final es el mismo de cualquier manera.

Si agregamos una resistencia en serie de 100 ohmios además de las resistencias internas, la corriente se reduce a 10 mA y el LED se ilumina muy bien.

Cambiar el valor de la resistencia cambiará el brillo, la mayoría de los LED pequeños están limitados a aproximadamente 20 mA como máximo y no son visibles por debajo de 1 mA. En general, apenas se nota mucho más de 10 mA (esto se debe más a la forma en que funcionan los ojos que a la forma en que funcionan los LED). También puede cambiar el brillo encendiéndolos y apagándolos muy rápidamente, esto es más simple para los sistemas digitales y generalmente es más eficiente para un brillo percibido dado (de nuevo más debido a los ojos que a los LED), esto le permite cambiar el brillo mientras que solo tiene una resistencia fija en el hardware. Si está planeando usar una resistencia variable para establecer el brillo, entonces es una buena práctica incluir también un pequeño valor fijo para que con la resistencia variable en 0 la corriente se limite a 20 mA.

Entonces, ¿qué pasa si agregamos dos LED en serie?

Cada LED necesita 2V para encenderse. Dos LED significa 4V. Con una fuente de 3V no tenemos suficiente voltaje para polarizar hacia adelante los diodos, por lo que bloquearán todo el flujo de corriente. Los LED estarán apagados. Si aumenta el voltaje y configura la resistencia limitadora de corriente correctamente, ambos se encenderán. Como el brillo depende de la corriente a través del LED y ambos tendrán la misma corriente, tendrán el mismo brillo (para el mismo tipo de LED).

¿Qué pasa si agregamos dos LED en paralelo?

Si agregamos dos en paralelo cada uno con su propia resistencia, entonces son efectivamente circuitos separados. Asumiendo que la fuente de alimentación es suficiente, cada uno actuará como si fuera el único.

Si comparten la resistencia, las cosas se ponen más interesantes. En teoría, esto funcionaría bien, necesitaría reducir a la mitad el valor de la resistencia para obtener el mismo por corriente de LED, pero aparte de eso, esperaría que funcione. Desafortunadamente, no hay dos LED idénticos, todos tendrán voltajes de polarización muy diferentes, lo que significa que más corriente fluirá a través de uno que el otro (sería toda la corriente a través de uno si no fuera por el pequeño aumento en el voltaje como corriente incrementos que normalmente ignoramos).

Esto significa que dos LED en paralelo con una sola resistencia casi nunca tendrán el mismo brillo.

En general, cualquier cosa que necesite controlar un grupo de LED (por ejemplo, una luz de fondo) utilizará una cadena de LED de serie larga y aumentará el voltaje tan alto como sea necesario (dentro de lo razonable) para que todos tengan el mismo brillo.

Si bien un LED no se parece en nada a un incandescente, la respuesta sigue siendo SÍ.

La única diferencia en los cálculos de la ley de ohmios será restar el voltaje directo del LED del voltaje de la fuente de alimentación.

La diferencia en el voltaje directo del LED frente a la corriente directa es insignificante.

Medí el voltaje de una cadena de 16 LED rojos a 200, 350 y 500 mA. Los voltajes fueron 30.07, 31.20, 31.43. 1.02% de cambio de 200 a 500mA.