Tại sao đèn LED có điện áp tối đa?

Khi cấp nguồn cho một mạch LED đơn giản (nguồn điện DC, LED, điện trở), liệu điện áp cung cấp có quan trọng, miễn là giá trị điện trở giới hạn dòng được tính toán chính xác được sử dụng?

Nói cách khác, có / có thể có điều gì đó vốn đã sai khi cấp nguồn cho đèn LED với nguồn điện 12V hoặc 24 V miễn là tôi sử dụng điện trở chính xác, biết điện áp chuyển tiếp của đèn LED, biết dòng điện tối đa và tính toán nó bằng cách sử dụng cái gì đó như thế này , khi tôi có thể cung cấp cùng một đèn LED với nguồn cung cấp 3,5V biết cùng một biến và sử dụng cùng một trang web?

Tôi giả sử có giới hạn về mức điện áp tối đa được sử dụng cho đèn LED ở đây ... khi tôi nhìn vào biểu đồ đặc tính điện cho CREE XP-G, ví dụ, nó hiển thị dòng điện như một chức năng của điện áp, với điện áp bắt đầu từ khoảng 2,5V @ 0ma, tối đa ở khoảng 3,25V @ 1500ma (dòng điện tối đa được đánh giá ở mức, như được mô tả trong bảng Đặc điểm trong cùng một tài liệu.

Sau 3.25V, biểu đồ mô tả hiện tại tiếp cận khá nhanh.

Tôi cho rằng điều này liên quan đến câu hỏi của tôi, tôi chỉ tò mò về tất cả những gì liên quan. Tôi chắc chắn tất cả các công cụ luật cơ bản của Ohm, tôi chỉ đánh giá cao việc làm rõ toán học tại nơi làm việc.

Không có giới hạn về điện áp, mỗi se, mà bạn sử dụng để cấp nguồn cho mạch điều khiển diode. Các diode chỉ quan tâm đến những gì các diode có thể nhìn thấy, và nó không thể thấy sự sụt giảm điện áp trên điện trở giới hạn hiện tại.

Điều đó nói rằng, tại một số điểm, điều bạn sẽ quan tâm là năng lượng tiêu tán trên điện trở, đó là $I^2R$. Nếu bạn muốn giữ cho dòng điện không đổi trong trường hợp tăng điện áp yêu cầu, thì R cuối cùng sẽ trở nên lớn, và nó sẽ tiêu tan quá nhiều năng lượng. Công suất chạy của điện trở dẫn hướng trục có thể tiêu tan là 1/4 watt. Đối với dòng điện 20mA, điều đó có nghĩa là giới hạn công suất trên điện trở ở mức 1/4 watt, bạn không thể vượt quá 625 ohm, điều đó có nghĩa là bạn có thể giảm tối đa 12,5 volt trên nó, và bạn bị trần ở mức cung cấp năng lượng khoảng 14,5V cho đèn LED màu đỏ. Điều tồi tệ hơn đối với các điện trở SMD gói nhỏ, thường là 1/8 watt hoặc ít hơn. Nếu bạn cần giảm điện áp nhiều hơn, bạn sẽ phải đổi sang điện trở có công suất cao hơn, có thể trở nên lớn hơn về mặt vật lý, cũng như đắt tiền hơn.

Về lý do tại sao điện áp thực tế trên đèn LED không thay đổi quá nhiều khi có sự lựa chọn phù hợp của điện trở giới hạn dòng điện, một cách thuận tiện để xem xét điều này là với kỹ thuật "tải dòng". Từ http://i.stack.imgur.com/1cUKU.png , (Hình ảnh miền công cộng từ Wikimedia):

$V_D = 0$$V_{DD}/R$$V_D = V_{DD}$$V_{DD}$ ít hơn đáng kể sẽ không di chuyển điểm này nhiều như bạn nghĩ nó có thể về sự sụt giảm điện áp cuối cùng trên diode, bởi vì đường cong diode sẽ dốc như thế nào.

Mục đích của điện trở nối tiếp là điều tiết dòng điện qua đèn LED. Điện áp chuyển tiếp của đèn LED đi vào tính toán điện trở giới hạn dòng điện.

Về cơ bản không có gì sai khi sử dụng điện áp cao hơn nếu bạn định cỡ điện trở giới hạn dòng điện một cách thích hợp cho điện áp. Đồng thời, bạn sẽ tiêu tan nhiều năng lượng hơn trên mức kháng giới hạn hiện tại. Vì vậy, bạn sẽ cần một điện trở với định mức năng lượng đủ.

Nói chung, dòng diode tăng theo cấp số nhân với điện áp:

Trong đó c là hằng số phụ thuộc vào hình học, pha tạp, nhiệt độ, v.v.

Đây là lý do tại sao một đèn LED công suất cao phải luôn được điều khiển bởi dòng điện không đổi và không phải là nguồn điện áp không đổi. Các biến thể nhỏ của c (ví dụ: thay đổi nhiệt độ) hoặc U sẽ gây ra thay đổi lớn trong dòng điện.

Các điện trở loạt hoạt động, bởi vì điện trở của nó thường cao hơn rất nhiều so với điện trở vi sai của đèn LED. Từ quan điểm của đèn LED, nguồn điện áp cộng với điện trở hoạt động giống như một nguồn hiện tại.

điện áp cung cấp có quan trọng, miễn là giá trị điện trở giới hạn dòng được tính toán chính xác được sử dụng?

Số điốt là thiết bị hiện tại. Chúng có sự sụt giảm điện áp mà bạn nên tính đến trong mạch của mình, nhưng chúng được điều khiển bằng dòng điện và miễn là bạn giới hạn dòng điện một cách thích hợp và làm mát diode nếu cần (đối với đèn LED công suất cao), thì không có giới hạn điện áp cung cấp .

Điện áp tại đèn LED sẽ là điện áp rơi của diode, nó sẽ phụ thuộc một chút vào dòng điện qua diode, nhưng chủ yếu phụ thuộc vào thành phần của diode. Áp dụng điện áp quá lớn tại các cực của diode (nghĩa là không có giới hạn dòng điện) sẽ dẫn đến dòng điện vượt quá giới hạn của diode và sẽ làm hỏng đèn LED.

Tuy nhiên, với giới hạn dòng thích hợp, bạn có thể sử dụng nguồn điện một triệu volt để cấp nguồn cho đèn LED. Mặc dù tại thời điểm đó, bạn sẽ phải kiểm tra cách điện đầy đủ giữa các thiết bị đầu cuối của các bộ phận khác nhau ...

Một đèn LED có "điện áp tối đa" vì điện trở của nó giảm đáng kể - giống như trong bất kỳ diode nào khác - vì điện áp về phía trước của nó tăng lên qua đầu gối của nó, và sự tăng điện áp này trên đèn LED kết hợp với sự gia tăng dòng điện qua nó (vì sự giảm điện trở về phía trước của nó) làm tăng công suất mà đèn LED phải tiêu tan và do đó, nhiệt độ hoạt động của nó. Sau đó, nếu dòng điện qua ngã ba của đèn LED được phép vượt qua mức tối đa tuyệt đối của nó, tuổi thọ của nó sẽ được rút ngắn và khói ma thuật sẽ thoát ra, sớm hay muộn.

Trong trường hợp CREE XP-G mà bạn đã đề cập, tôi đã lấy biểu đồ dòng chuyển tiếp điện áp chuyển tiếp VS từ bảng dữ liệu và phủ nó với biểu đồ điện trở chuyển tiếp điện áp chuyển tiếp VS như được hiển thị bên dưới. Khá thô thiển vì tôi không thực hiện bất kỳ sự phù hợp với đường cong nào, nhưng thật dễ dàng để thấy sự thay đổi lớn về điện trở thuận đối với sự thay đổi 250 millivolt nhỏ trong điện áp chuyển tiếp từ 2,5 đến 2,75 volt.

Do độ nhạy cực cao đối với điện áp và vì vị trí đầu gối của diode không thể dự đoán được một cách chắc chắn, đèn LED thường không được điều khiển bởi các nguồn điện áp thô, mà bởi các nguồn điện áp giới hạn dòng hoặc dòng không đổi được thiết kế để không bao giờ cho phép sản phẩm của dòng điện qua đèn LED và điện áp được giảm bởi đèn LED để vượt quá định mức công suất của đèn LED.

Đối với công suất cao, không phải là đèn LED rẻ tiền như XP-G, nguồn cung cấp dòng không đổi có thể được sử dụng để tạo lợi thế tốt vì nó sẽ giữ dòng điện qua đèn LED cố định bất kể sự thay đổi của đèn LED Vf hoặc điện áp đầu vào dòng điện không đổi cung cấp. Mặc dù vậy, thông thường nhất, một điện trở được sử dụng nối tiếp với nguồn điện áp để hạn chế dòng điện qua đèn LED.

Giá trị của điện trở được xác định bằng cách trừ Vf tối thiểu được chỉ định của LED khỏi điện áp đầu ra tối đa của nguồn, sau đó chia sự khác biệt đó cho dòng LED mong muốn. Điện trở đó sẽ đảm bảo rằng "điện áp tối đa" của đèn LED sẽ không bao giờ bị vượt quá, và bạn có thể thấy rằng không có giới hạn (cũng ...) đối với điện áp nguồn được phép vì điện trở sẽ loại bỏ mọi thứ mà đèn LED không cần .

Tôi sẽ đề cập đến điện áp nghịch đảo đỉnh (đôi khi được xem là điện áp ngược) của diode. PIV là điện áp tại đó điểm nối diode bắt đầu bị phá vỡ khi nó bị phân cực ngược (tức là điện áp ngược). Đối với hầu hết các đèn LED, nó tương đối thấp (5V là điển hình - Tôi đã tìm kiếm nhanh và tìm thấy 3 nhà sản xuất khác nhau đều có 5V). Tùy thuộc vào nguồn điện, nó có thể không quan trọng (pin điện áp thấp làm cho nó trở thành một điểm tương đối). Các nguồn năng lượng khác như bộ chuyển đổi AC / DC có thể có điện áp cao với thiết kế phân cực ngược trong một thời gian ngắn khi nguồn hoặc các thiết bị được điều khiển như rơle được bật và tắt.
Do đó, bất kỳ ứng dụng nào có nguồn điện lớn hơn 5V nên có bảo vệ ngược cho đèn LED. Đây có thể là một diode phân cực ngược trên đèn LED để bảo vệ đơn giản hoặc các kỹ thuật tiên tiến khác.