Que se passe-t-il si une LED est connectée à une tension d'alimentation supérieure à sa chute de tension?

Ma compréhension de la résistance et de la tension est horrible. J'ai entendu qu'avec la loi de Kirchhoff, (dans mes mots, veuillez corriger) la tension utilisée par le circuit doit être égale à la tension fournie. Par exemple, si j'avais une batterie de 9 V, je dois utiliser tout le 9 V de celle-ci.

Disons que j'ai une LED avec une tension de polarisation directe typique de 3,1 V, ce qui signifie qu'elle perd 3,1 V lors de la génération de lumière. Est-ce que la LED si 9 V est utilisée, s'éteint?

C'est probablement vrai, mais un bel exemple rendra vraiment ma compréhension plus intuitive.

C'est une de ces situations où votre problème n'est pas de savoir à quel point vous êtes bon en analyse ou quelles connaissances de base vous pourriez avoir, mais simplement que vous n'avez aucune idée de ce que vous ne savez pas. Cela fait toujours la première étape dans l'électronique très élevée.

Dans le cas de votre exemple, que savez-vous d'une batterie?

1. La tension aux bornes d'une batterie idéale ne changerait jamais (au moins jusqu'à ce que toute la capacité de stockage d'énergie soit utilisée). Il doit donc y avoir des facteurs qui affectent la tension aux bornes et sa capacité énergétique utile. Une liste rapide est la chimie, le volume des matériaux, la température et la conception de l'anode / cathode.
2. Une batterie pratique a une capacité limitée et de nombreux autres facteurs influençant la tension aux bornes et la capacité de courant potentiel peuvent être intégrés dans un élément de modèle appelé «résistance interne». Dans le modèle pour la plupart des batteries plus grandes, ce sera des fractions d'un ohm. Cependant, la batterie possède également d'autres éléments tels que la capacité et l'inductance pour rendre la situation plus complexe. Vous pouvez commencer par lire sur les modèles de batterie avec des textes comme celui- ci .

Un excellent exemple d'une batterie plus grande avec une très faible résistance interne est une batterie de voiture 12 V. Ici, lorsque vous démarrez la voiture, il faut des centaines d'ampères (kW de puissance et de courant dans la gamme 600 A) pour retourner le moteur et la tension aux bornes peut chuter de 13,8 V (une batterie de voiture au plomb entièrement chargée) à seulement 10 V au démarrage. Ainsi, la résistance interne peut être (en utilisant la loi d'Ohm) de seulement 6 milliohms environ.
Vous pouvez adapter la réflexion de cet exemple à des batteries plus petites telles que les batteries AA, AAA et C et au moins commencer à comprendre la complexité d'une batterie.

Maintenant, que savez-vous pas sur une LED?

1. La complexité du modèle électrique d'une diode (qu'il s'agisse simplement d'un redresseur ou d'une LED) est immense. Mais nous pourrions le simplifier ici et dire que c'est plus simple que vous pouvez représenter une diode par sa tension de bande interdite avec une résistance série. Vous pouvez commencer ici en commençant à vous familiariser avec les nombreux packages SPICE et cette discussion sur StackExchange pourrait être un bon point de départ.
2. Tous les dispositifs semi-conducteurs ont une limitation pratique de la quantité d'énergie qu'ils peuvent dissiper. Cela est principalement lié à la taille physique de l'appareil. Plus l'appareil est gros, plus il peut généralement dissiper de puissance.

Vous pouvez maintenant considérer votre LED. Vous devez commencer par essayer de comprendre la fiche technique de l'appareil. Alors que de nombreuses caractéristiques que vous ne comprendrez pas, vous en connaissez déjà une (à partir de votre question), la tension directe (Vf) et vous pourriez probablement trouver la limite de courant et la dissipation de puissance maximale dans la fiche technique.
Armé de ceux-ci, vous pouvez déterminer la résistance en série dont vous avez besoin pour limiter le courant afin de ne pas dépasser la limite de dissipation de puissance de la LED.

La loi de tension de Kirchhoff vous donne une grande indication que puisque la tension aux bornes de la LED est d'environ 3,1 V (et la courbe de courant de la fiche technique vous indique que vous ne pourriez jamais appliquer 9 V), vous devez avoir besoin d'un autre composant du modèle dans le circuit.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Remarque: l'impédance interne de la batterie indiquée ci-dessus est simplement spécifiée pour faciliter le calcul. Selon le type de batterie (principale ou rechargeable), la résistance interne peut varier. Vérifiez la fiche technique de votre batterie.

L'élément inconnu ci-dessus pourrait-il simplement être un morceau de fil (pas d'élément)?
Cela pourrait ... mais nous pouvons facilement calculer les résultats.
Avec deux éléments de tension idéaux (9 V et 3,1 V), les résistances doivent avoir 5,9 V entre elles (boucle de tension de Kirchhoff). Le flux de courant doit donc être de 5,9 / 10,1 = 584 mA.
La puissance dissipée dans la LED est de (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 watts. Étant donné que votre LED est probablement évaluée à seulement 300 mW ou plus, vous pouvez voir qu'elle chauffera considérablement et échouera probablement en quelques secondes.

Maintenant, si l'élément inconnu est une simple résistance, et que nous voulons que le courant à travers la LED soit, disons, 20 mA, nous avons suffisamment pour calculer la valeur.

La tension aux bornes de la batterie serait (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 V La tension aux bornes de la LED serait (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 V

La tension aux bornes de la résistance inconnue est donc de 5,698 et le courant qui la traverse de 20 mA. La résistance est donc de 5,698 / 0,02 = 284,9 Ohms.

Dans ces conditions, les tensions de boucle s'équilibrent et la LED dépasse sa valeur nominale de 20 mA. Sa dissipation de puissance est donc ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 mW .... avec un peu de chance, bien à la portée d'une petite LED.

J'espère que cela t'aides.

Oui, la LED sera probablement endommagée. Telle est la petite histoire.

En réalité, la tension de la batterie chutera un peu car elle provoquera beaucoup de courant (les batteries ont une résistance interne qui varie en fonction de l'état de charge, de l'historique de décharge, de la température et d'autres facteurs - peut-être quelques ohms pour une batterie 9 V neuve), et la tension des LED augmentera (les LED augmentent la tension avec le courant de manière non linéaire) jusqu'à ce que les deux se rencontrent exactement (si vous ignorez un peu de chute dans les fils).

Supposons donc que la tension de la batterie tombe à 5 V et que la batterie fournit 1,5 A. Cela signifie que la tension directe de la LED est de 5 V et qu'elle se dissipe de 5 V * 1,5 A = 7,5 W, ce qui signifie qu'elle s'éteindra très rapidement, en supposant qu'il s'agit d'une petite LED indicatrice de 3 mm ou 5 mm.

Si votre LED 3.1V se trouvait être un tas de dés LED en parallèle et était capable de gérer en toute sécurité (disons) 2A, d'autre part, la tension de la batterie chuterait à quelque chose comme 3.1V (en raison de la résistance interne de la batterie, comme ci-dessus) et la LED s'allumerait avec environ 6W de puissance d'entrée. Bien sûr, la batterie s'épuiserait rapidement (au mieux - ou elle pourrait devenir très chaude et exploser violemment. Certains types, tels que les batteries NiCd ou certaines batteries au lithium non protégées, peuvent être plus dangereux que d'autres.

Voici ce qui se passe: d'abord, j'ai correctement connecté une LED verte à 9 V à l'aide d'une résistance de 1 kΩ pour capter la tension résiduelle.

Puis sans.

Étonnamment, après coup, toujours avec une résistance, la LED fonctionne toujours, mais notamment avec un gradateur.

N'essayez pas cela à la maison, les enfants ... sauf, diable, pourquoi pas ... c'est la science !

Pourquoi il s'allume brièvement en jaune / rouge avant de "briller", je ne sais pas. Le résultat est probablement différent pour chaque type de LED.

Dans la pratique, il y a des résistances "cachées" ou parasites dans votre exemple hypothétique que vous ne connaissez pas. Pour commencer, la batterie a une résistance interne en série. La LED a également une résistance comme tout le câblage de votre circuit. La tension chute à travers toutes ces résistances plus la chute de tension intrinsèque de la LED s'ajoutera à la tension de la batterie.

La seule question est: à quel courant cela se produit-il? S'il est suffisamment haut, votre LED cuit et brûle. Une résistance supplémentaire sous la forme d'une résistance réelle en série avec la LED évitera ce problème. La détermination de la valeur de cette résistance est l'occasion d'appliquer la loi d'Ohm.

Ce diagramme, avec des volts sur Xaxis et du courant sur Yaxis, est utilisé pour «résoudre» graphiquement l'équation des diviseurs de tension à 2 composants en série. Il peut être utilisé pour un diviseur résistif pur, ou comme ici avec une diode et une résistance.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Mettez un deuxième composant en série, pour partager la tension. Par exemple, vous voulez que la LED fonctionne en toute sécurité avec ses 3,1 volts, et avoir une RÉSISTANCE pour utiliser les [9 - 3,1] = 5,9 volts inutiles. À 10mA (que vous pouvez voir comme 100 ohms par volt), vous avez besoin de 100 Ohms / Volt * 5,9 volts = 590 Ohms. Les valeurs courantes sont 560 Ohms et 620 Ohms.

Vous avez besoin d'un circuit série ici: la source à 9 volts, puis DEUX composants pour partager la tension de la batterie.

Permet maintenant d'utiliser le même tracé IV qu'un nomographe pour résoudre les diviseurs de tension résistifs.

^{simuler ce circuit}

La réponse à votre question de titre est: la LED s'allume.

La condition est que votre courant se situe dans les limites minimum et maximum de la LED en question.

Un faible courant le fera brûler faiblement et le courant nominal le fera brûler brillamment. Trop de courant fera exploser la LED.

Vous limitez le courant à la valeur souhaitée (souvent 15 à 20mA) en mettant la bonne résistance dans le circuit.

Utilisez la loi d'Ohm pour résoudre ce problème. R (ohms) = V (volts) / I (ampères).

Dans des limites raisonnables, la tension est peu pertinente pour une LED, c'est le courant qui l'allume. Vous devez bien sûr avoir une tension suffisante pour dépasser la chute de tension interne de la LED au bas de gamme.

Toutes les alimentations 9 V ne sont pas égales. Certains souffleront la LED et d'autres non. (Cela dépend du courant de court-circuit ou de la résistance interne.)

9 V - 3,1 V = 5,9 V est «manquant». Celui-ci est déposé à l'intérieur de l'alimentation 9 V, du fil et à l'intérieur de la LED. (Ce sont les résistances qui provoquent la perte de tension ou la chute de tension.)

Il est très difficile de souffler quoi que ce soit sans chaleur, (sauf pour l'électricité statique dans le MOS.) La chaleur prend du temps à s'accumuler (et à libérer la fumée. :-)

La chaleur qui détruit la LED est due à la tension de 3,1 V, à la résistance interne de la LED, au courant (V / R) et au temps. Une partie de la chaleur (avant que la fumée ne se produise) est perdue dans l'environnement. C'est pourquoi des dissipateurs thermiques sont utilisés dans certains circuits pour éviter la fumée.

En première approximation, en négligeant les résistances internes, les LED ont une caractéristique I / V exponentielle directe. En réalité, ce sont les caractéristiques de la jonction polarisée en direct: les vrais appareils ont une résistance interne en série, typiquement quelques Ohms.

La chute de tension "nominale" de la LED n'est qu'un point sur les caractéristiques. Habituellement, la tension qui correspond à 20 mA ou un courant direct nominal déterminé.

Lorsque vous placez votre led entre les pôles de la batterie, vous créez un circuit en série qui comprend une source de tension "idéale" de 9 V, la LED et la résistance interne de la batterie (disons, 2 Ohm)

Le point de fonctionnement de votre LED est l'intersection de ses caractéristiques directes avec une ligne de charge déterminée par la tension de source (9V) et la résistance interne de la batterie. La chute de tension sur votre LED sera beaucoup plus élevée que la valeur nominale de 3,1 V.

À moins que votre LED ne soit un appareil à courant élevé, le courant dépassera la valeur nominale et la LED souffrira ou soufflera.

Les LED (et les diodes en général) sont un peu bizarres. En première approximation en dessous du seuil de tension, aucun courant ne peut circuler, il n'y a pas de restriction sur le flux de courant.

Considérez-le comme un barrage, lorsque l'eau est en dessous du barrage, elle est complètement bloquée. Une fois que le niveau d'eau est au-dessus du sommet du barrage, son débit n'est pas restreint, mais vous perdez toujours la quantité retenue derrière le barrage.

Donc, avec une LED avec un seuil de 3,1 V, si vous appliquez 9 V, vous avez encore 5,9 V à utiliser. Celui-ci sera utilisé par les résistances du circuit comme décrit par la loi d'Ohm, V = I * R. Si vous n'avez ajouté aucune résistance, alors R est la résistance interne des batteries et la résistance de vos fils. Ces résistances internes sont normalement suffisamment petites pour que vous puissiez les ignorer, mais dans ce cas, elles sont tout ce que vous avez. De petites résistances et une tension fixe signifient que le courant sera très élevé. La LED aura un courant maximum auquel elle pourra survivre, environ 20mA pour les LED typiques. Si vous dépassez cela, ils surchaufferont et se détruiront.

Comme je l'ai dit au début, ce n'est qu'une approximation d'une LED, en pratique la chute de tension augmente avec le courant. Cependant, cette augmentation n'est pas énorme, généralement si vous êtes dans une situation où vous devez en tenir compte, alors vous faites quelque chose de très sensible, quelque chose de haute puissance ou vous courez beaucoup trop près des limites des composants pour commencer. L'augmentation n'est certainement pas suffisante pour influer sur le résultat final dans ce scénario.

Tout a de la résistance. Période!

• Cela inclut les batteries (ESR), les diodes (Rs), les capuchons d'inductances (DCR) (ESR) et même les résistances (R);)
  • La «boucle de tension de Kirchhoff (KVL)» enseigne comment utiliser cette «tension résiduelle»
    • c'est après que toutes les tensions d'alimentation ont été ajoutées ou soustraites
    • avec la somme de toutes les pièces en série, qui ont chacune une résistance
  • ainsi KVL vous apprend à calculer le courant ou le débit de charges résultant en unités d'ampères ou "Ampères" = 1000 milliampères (mA)

• ainsi, ce «reste V» est à travers la somme de toutes les parties R dans une boucle.

  • lorsqu'il s'agit d'un bon fil conducteur, nous ignorons généralement (mais pas toujours) la résistance et la chute de tension.

• donc I = V / R de chaque partie après la tension résiduelle et la somme de la résistance de boucle exprimée en rapport.

• les pièces qui peuvent gérer BEAUCOUP de puissance doivent avoir un faible R (sauf dans la théorie de l'école élémentaire, nous disons que les batteries idéales ont R = 0)

• toutes les similitudes des diodes ont une résistance inférieure au-dessus de la tension de seuil, Vt, si elles sont conçues pour plus de puissance, à la tension directe nominale Vf

La LED 3V a un seuil autour de 2,8V et peut alors être de 3,1V +/- 10% en fonction d'une large tolérance et bien sûr, de la puissance

 - for example
   -  a 300mA rated white LED (1W) has a bulk resistance less than 0.5 to 1 Ohm due to 50% MFG tolerances
   - a 9 V Alkaline battery actually has six (6) tiny 1.5V cells in series
   -  inside , each has about ESR= 1 Ohm (when new)
           - cheap carbon pile aka HEAVY DUTY cells are about 3 Ohms (new) so less powerful

Ainsi, avec une LED blanche 1W et une pile alcaline 9V, quelle est la tension "résiduelle" et le courant résultant?

• Comment choisissez-vous R pour limiter ce courant?
• Comment choisir la puissance nominale et l'augmentation de température.

(9V-2,8V) / (6x1 + (0,5 à 1) + R) = 0,3A = 300 mA

résoudre pour R

Astuce si R = 0, la LED devient trop lumineuse et trop chaude pour survivre

Les bouchons ont un ESR mais en tant qu'isolateurs = diélectriques, ils bloquent le courant continu mais conduisent le courant alternatif.