LED y lámpara en serie: ¿por qué la bombilla no se enciende?

Mi hijo de 6 años acaba de comenzar a experimentar con un kit de estilo Snap Circuits y ya tenemos una pregunta muy básica.

Si colocamos un LED y una lámpara en paralelo alimentados por baterías, tanto el LED como la lámpara se iluminan brillantemente.

Sin embargo, si colocamos el LED y la lámpara en serie, solo se encenderá el LED.

Obviamente, la corriente pasa a través de la lámpara (si desenrosco la bombilla, el LED se apaga).

Entonces, ¿por qué la bombilla no se enciende?

Soy un poco tacaño, así que en lugar de comprar Snap Circuits adecuados, compré un conjunto genérico similar de China en eBay (ver: Electronic Blocks Kit W-58 )

(Disculpas si esto es demasiado básico para este foro pero aún no he encontrado la respuesta a través de Google)

Para el LED y la lámpara conectados en paralelo, cada uno tiene el voltaje completo de la batería.

Cuando se conecta en serie, el voltaje en cada uno debe sumar el voltaje de la batería.

Sin más información de la que se da, la respuesta más probable es que el voltaje a través de la lámpara, que debe ser igual al voltaje de la batería menos el voltaje a través del LED, es insuficiente para producir luz visible.

Mientras escribo esta respuesta, veo que ha agregado algunas imágenes. Parece que el voltaje total de la batería es de aproximadamente 3V. Dado que muchos LED tienen un voltaje directo superior a 2 V, esto deja menos de 1 V en la bombilla.

¿Tienes un voltímetro con tu kit? Si es así, mida el voltaje a través de la lámpara para la conexión en serie.

El LED deja caer tanto voltaje que queda muy poco para la bombilla.

Solo tiene dos baterías de 1.5V, que, en serie, apenas son suficientes para el voltaje directo del LED.

Las bombillas incandescentes se atenúan rápidamente cuando se reduce la potencia que disipan: la potencia es voltaje cuadrado, dividido por la resistencia.

Por esta misma razón, atenuar las bombillas incandescentes no ahorra mucha energía. Solo una pequeña disminución fraccional en la potencia disipada atenúa una bombilla casi por completo.

Los filamentos generan principalmente calor, y solo una pequeña fracción como luz visible. Esto es muy sensible a la temperatura, que es muy sensible a la potencia disipada.

Intenta mirar la lámpara en una habitación oscura; Es posible que pueda ver un tenue resplandor rojo. Además, la luz del LED puede estar evitando que vea cualquier brillo tenue que la bombilla esté apagando, incluso en una habitación oscura. Cubra el LED también.

DEBE haber una resistencia en serie con el LED. Un LED es un diodo, y los diodos aumentan rápidamente la corriente que pasan a medida que el voltaje aplicado aumenta por encima de cierto punto, muy por debajo de 3V. Entonces, sin una resistencia limitadora de corriente, el LED pasaría tanta corriente que se quemaría.

Las respuestas anteriores que dicen que el LED baja el voltaje son correctas, pero la caída es a través de la combinación del LED y la resistencia oculta. La bombilla solo agrega un poco más de resistencia, lo que reduce un poco la corriente, pero solo hace que el LED sea un poco más tenue. Pero la bombilla no tiene el voltaje mínimo que necesita para encenderse.

Un factor adicional e interesante es que la resistencia al filamento de la lámpara incandescente cuando está fría es aproximadamente 1/10 de su resistencia cuando está caliente.

En lugar de 10 ohmios, la lámpara fría apagada probablemente esté más cerca de 1 ohmio.

$P = I^2 \cdot R$

La lámpara de la serie es poco más que un cable rizado que completa el circuito de luz LED.

Por otro lado, la característica de coeficiente de temperatura positiva de las lámparas incandescentes puede ser útil; vea los primeros osciladores de audio de HP y lea sobre los osciladores de puente Wien .

Gran pregunta! Es paralelo a los circuitos en serie, como se señaló. En paralelo, tanto la lámpara como los módulos LED obtienen 3 voltios completos. En la serie, tienen que compartir los 3 voltios, por lo que cada uno recibe algo. Si fueran 2 del mismo tipo de bombilla, cada una obtendría la mitad del voltaje. 3 bombillas en serie, cada una obtiene 1/3, y así sucesivamente. El módulo LED lo hace más complejo. Pero primero hagamos el mayor problema.

$\dfrac{E}{I}=R$$\dfrac{3V}{0.3A} = 10 \Omega$

$\dfrac{V}{A}=R$$\dfrac{1}{V}: \dfrac{V}{AV}=\dfrac{R}{V}$$\dfrac{V}{V}$$\dfrac{1}{A}=\dfrac{R}{V}$$A=\dfrac{V}{R}$$10 \Omega + 10 \Omega = 20 \Omega$$\dfrac{3V}{20\Omega} = .150A$$RA=V$$10 \Omega \times .15 A = 1.5 V$

$A=\dfrac{3V - 1.xV}{10 + 33 \Omega}$$\dfrac{1.9V}{43 \Omega}$$\dfrac{1.1V}{43 \Omega}$

Para fines de discusión, los LED rojos tienen una caída de voltaje directo de 1. (algo) voltios, el verde es de alrededor de 2 voltios, el azul aún más. Por supuesto, tienen valores de resistencia finitos, pero es más fácil pensar en ellos como simplemente eliminar ese voltaje fijo. La corriente se puede calcular como el voltaje restante a través de la resistencia. Si no hay una resistencia, debe haber una forma más elaborada de limitar la corriente.

Para más diversión, coloque un motor eléctrico del tamaño adecuado en serie con una bombilla, observe qué tan brillante es la bombilla, luego coloque algún tipo de carga en el motor: un dedo presionando suavemente, una pala del ventilador o una paleta para mover el aire, etc. ¿algún cambio?

Una forma de visualizar y, por lo tanto, comprender lo que está sucediendo en el circuito, siendo esta una explicación o analogía muy simplificada, sería pensar que el LED no pasa suficiente corriente para encender la lámpara. En pocas palabras, tiene mucha más resistencia que la lámpara en esencia. Si colocó dos lámparas de tipo idéntico en serie, ambas deberían brillar igualmente brillantes, tan brillantes como la corriente proporcionada por la fuente de alimentación permitida. Como analogía realmente simple, dos lámparas de CA de 115 voltios del mismo voltaje colocado en serie requerirían + - 230 voltios para iluminar completamente.

Sin embargo, el LED tiene mucha más resistencia que la lámpara, o más precisamente es un semiconductor y tiene una caída de tensión directa.

Simplificado: Una caída de voltaje directo a través del LED de aproximadamente 2 voltios a una corriente de consumo de 20 mA, por ejemplo, (no puedo recordar los números precisos en este momento) y parece ser una configuración de batería de 3 voltios, que dejaría solo un voltio para la lámpara. Además, el LED no pasará suficiente corriente para calentar el filamento (que se clasifica como un inductor y el LED como un semiconductor, por lo que mi analogía es imprecisa), pero la lámpara probablemente no se iluminaría completamente incluso si el voltaje suministrado fuera más alto para compensar para la caída de tensión directa del LED.

Espero que tenga sentido. Pido disculpas si no, pero estoy apurado y solo vi esto cuando estaba a punto de tener que desconectarme y hacer otra cosa.

Su pregunta me recuerda un experimento similar en el que dos vatios desiguales pero lámparas de voltaje idénticas están conectadas en serie. De repente, se aplica un voltaje del doble del tamaño de una de las lámparas a la disposición, solo observe lo que sucede. Al elegir su voltaje, tenga en cuenta la seguridad eléctrica. Las lámparas de 6 voltios funcionarían bien. Sugiera que una bombilla de parada de automóvil / luz lateral a 6 voltios estaría bien. ¡Este experimento se usó en un examen práctico de física de la CME "A" hace unos 30 años!

Otra cosa que podría intentar es conectar diferentes lámparas de filamento de 240 voltios con carcasas de vidrio transparente a 12 voltios, si no recuerdo mal, las lámparas de 25 vatios funcionan bien y darán un brillo de filamento suave que es muy agradable de ver. Nuevamente, tenga en cuenta la seguridad eléctrica.

Solo voy a ignorar las caídas de voltaje por un momento y explicarlo en términos de corriente.

Cuando se coloca en serie con el LED, la corriente que pasa a través del LED también pasa a través de la bombilla, pero el calor que ingresa al filamento (corriente al cuadrado, multiplicada por la resistencia de la bombilla) es insuficiente para que el filamento se caliente lo suficiente como para producir luz visible .

La luz del LED es aproximadamente proporcional a la corriente que lo atraviesa, mientras que el brillo de la bombilla (¡para una bombilla tenue / con poca potencia!) Tiene una proporcionalidad más cercana al cubo de corriente de entrada. Si coloca una lámpara de "grano de trigo" (20ma), en serie con el LED, y ajusta la corriente, esto quedará claro.

Ahora, para algunos físicos: las baterías representan una fuente de voltaje casi ideal, esto se debe a que dentro de la batería hay una reacción química que mueve los electrones del cátodo (+) al ánodo (-) hasta que la diferencia de potencial entre los dos terminales alcanza la apertura -voltaje de circuito. Llamaré a esto Vbatt.

Cuando se realiza una conexión eléctrica entre los dos terminales, los electrones fluyen en la conexión externa desde el terminal (-) al (+) debido a esta diferencia de potencial, creando un "circuito" de electrones. Este flujo de electrones reduce la diferencia de potencial entre los terminales, lo que hace que la reacción se acelere y suministre más electrones, y la corriente aumenta. Al hacerlo, crea un voltaje creciente en la carga debido a la resistencia. La diferencia de corriente y potencial en los terminales aumenta hasta que sea suficiente para detener el aumento de la velocidad de reacción. Matemáticamente, I1 * R1 = Vbatt.

@Mark McLaren Pregunta interesante ... pero si pudieras cambiar la posición del led y la bombilla sin cambiar la polaridad (como está) en el circuito en serie, entonces la bombilla se encenderá si mi lógica es correcta ... No hace falta decir que el voltaje cae primero a través del LED y el voltaje restante (voltaje de 3 VOLTIOS MENOS utilizado por el LED) es insuficiente para la bombilla ... aunque tiene suficiente corriente porque está en serie. Los electrones fluyen desde la polaridad de las baterías hacia el led primero y puede ser por eso que el voltaje cae primero a través del led y el resto a través de la lámpara ... intente cambiar la posición del led y la lámpara y ver si la lámpara se enciende. ... afortunadamente, incluso el LED se encenderá porque el led requiere un voltaje bajo y el voltaje restante será suficiente para el led. tengo curiosidad