Mengapa LED memiliki tegangan maksimum?

Ketika memberi daya pada rangkaian LED sederhana (sumber daya DC, LED, resistor), apakah tegangan suplai berpengaruh, asalkan nilai resistor pembatas arus yang dihitung dengan benar digunakan?

Dengan kata lain, apakah ada / dapatkah ada sesuatu yang secara inheren salah dengan menyalakan LED dengan 12V atau 24V selama saya menggunakan resistor yang benar, tahu tegangan maju LED, tahu arus maksimum, dan menghitungnya menggunakan sesuatu seperti ini , ketika saya bisa menggunakan LED yang sama dengan suplai 3.5V mengetahui variabel yang sama dan menggunakan situs web yang sama?

Saya berasumsi ada batas untuk jumlah maksimum tegangan yang digunakan untuk LED di sini ... ketika saya melihat grafik karakteristik listrik untuk CREE XP-G misalnya, ini menunjukkan arus sebagai fungsi tegangan, dengan tegangan mulai sekitar 2.5V @ 0mA, maxing sekitar 3.25V @ 1500mA (arus maksimum LED dinilai, seperti yang dijelaskan dalam tabel Karakteristik dalam dokumen yang sama.

Setelah 3.25V, grafik menggambarkan arus yang cukup cepat mendekati tak terhingga.

Saya berasumsi ini terkait dengan pertanyaan saya, saya hanya ingin tahu bagaimana semua ini terkait. Saya yakin ini semua hal dasar hukum Ohm, saya hanya menghargai klarifikasi matematika di tempat kerja.

Tidak ada batasan pada voltase, per se, yang Anda gunakan untuk memberi daya pada rangkaian yang menggerakkan dioda. Dioda hanya peduli tentang apa yang bisa dilihat oleh dioda, dan tidak dapat melihat penurunan tegangan pada resistor pembatas arus.

Yang mengatakan, pada titik tertentu yang akan Anda pedulikan adalah daya yang dihamburkan melintasi resistor, yaitu$I^2R$. Jika Anda ingin menjaga agar arus konstan jika terjadi penurunan tegangan yang dibutuhkan, maka R pada akhirnya akan menjadi besar, dan itu akan menghilangkan daya terlalu banyak. Daya yang mengalir dari resistor timah aksial pabrik dapat menghilang adalah 1/4 watt. Untuk arus 20mA, yang berarti membatasi daya pada resistor hingga 1/4 watt, Anda tidak dapat melebihi 625 ohm, yang berarti Anda dapat secara maksimal menjatuhkan 12,5 volt di atasnya, dan Anda tidak memiliki pasokan daya sekitar 14.5V untuk LED merah. Ini lebih buruk untuk resistor SMD paket kecil, yang sering 1/8 Watt atau kurang. Jika Anda membutuhkan lebih dari penurunan tegangan, Anda harus beralih ke resistor pengenal daya yang lebih tinggi, yang bisa menjadi besar secara fisik, serta lebih mahal.

Mengenai mengapa tegangan aktual pada LED tidak berubah secara dramatis karena pilihan yang tepat dari resistor pembatas arus, satu cara mudah untuk melihat ini adalah dengan teknik "garis beban". Dari http://i.stack.imgur.com/1cUKU.png , (Gambar domain publik dari Wikimedia):

Garis miring negatif mewakili resistor. Jika akan ada dari arus melalui resistor, dan jika , maka tidak ada arus melalui resistor (karena tidak ada drop tegangan melintasi resistor). Rangkaian "hidup" pada titik kesetimbangan di mana garis resistor dan kurva dioda berpotongan, karena Anda HARUS memiliki arus yang sama melalui dioda dan resistor. Perhatikan bahwa mengubah R dan kurang dari dramatis tidak akan menggerakkan titik ini sebanyak yang Anda pikir mungkin dalam hal penurunan tegangan akhir melintasi dioda, karena seberapa curam kurva dioda didapat.V D D / R V D = V D D V D $V_D = 0$$V_{DD}/R$$V_D = V_{DD}$$V_{DD}$

Tujuan dari resistor seri adalah untuk throttle arus melalui LED. Tegangan maju LED masuk ke dalam perhitungan resistor pembatas arus.

Tidak ada yang salah secara fundamental dengan menggunakan tegangan yang lebih tinggi jika Anda mengukur resistor pembatas arus dengan tepat untuk tegangan. Pada saat yang sama, Anda akan menggunakan lebih banyak daya pada resistance yang membatasi saat ini. Jadi, Anda akan memerlukan resistor dengan peringkat daya yang cukup.

Secara umum, arus dioda meningkatkan eksponensial dengan tegangan:

di mana c adalah konstanta tergantung pada geometri, doping, suhu dll.

Ini adalah alasan mengapa LED daya tinggi harus selalu digerakkan oleh arus konstan, dan bukan sumber tegangan konstan. Variasi kecil ke c (mis. Perubahan suhu) atau U akan menyebabkan perubahan besar pada arus.

Resistor seri berfungsi, karena resistansi biasanya jauh lebih tinggi daripada resistansi diferensial LED. Dari perspektif LED, sumber tegangan plus resistor berperilaku seperti sumber arus.

apakah tegangan suplai berpengaruh, asalkan nilai resistor pembatas arus yang dihitung dengan benar digunakan?

Tidak. Dioda adalah perangkat saat ini. Mereka memiliki penurunan tegangan yang harus Anda perhitungkan dalam rangkaian Anda, tetapi arusnya digerakkan dan selama Anda membatasi arus dengan tepat, dan mendinginkan dioda jika diperlukan (untuk LED daya tinggi), maka tidak ada batas tegangan suplai .

Tegangan pada LED itu sendiri akan menjadi drop tegangan dioda, yang akan sedikit tergantung pada arus melalui dioda, tetapi sebagian besar pada komposisi dioda. Menerapkan tegangan yang terlalu besar pada terminal dioda (yaitu, tanpa batasan arus) akan menghasilkan arus di atas batas dioda, dan akan merusak LED.

Namun, dengan pembatasan arus yang sesuai, Anda dapat menggunakan catu daya jutaan volt untuk menyalakan LED. Meskipun pada titik itu Anda harus memeriksa isolasi yang memadai antara terminal berbagai bagian ...

LED memiliki "tegangan maksimum" karena resistansi menurun secara dramatis - sama seperti dioda lainnya - karena tegangan maju meningkat melewati lututnya, dan peningkatan tegangan melintasi LED ini ditambah dengan peningkatan arus yang melalui itu (karena penurunan resistensi ke depan) meningkatkan daya LED harus menghilang dan, dengan demikian, suhu operasinya. Kemudian, jika arus melalui persimpangan LED dibiarkan naik melewati nilai maksimum absolutnya, masa pakainya akan dipersingkat dan asap ajaib akan terlepas, cepat atau lambat.

Dalam kasus CREE XP-G yang Anda maksud, saya telah mengambil plot Arus Tegangan VS Maju dari lembar data dan menaruhnya dengan plot Tegangan maju VS Tahanan Teruskan seperti ditunjukkan di bawah ini. Agak kasar karena saya tidak melakukan fitting curve, tapi mudah untuk melihat perubahan besar pada resistansi maju untuk perubahan 250 milivolt bertubuh kecil pada tegangan maju dari 2,5 menjadi 2,75 volt.

Karena sensitivitas yang ekstrim terhadap tegangan dan karena lokasi lutut dioda tidak dapat diprediksi dengan pasti, LED pada umumnya tidak digerakkan oleh sumber tegangan mentah, tetapi oleh sumber tegangan konstan arus atau arus terbatas yang dirancang untuk tidak pernah membiarkan produk arus melalui LED dan tegangan turun oleh LED untuk melebihi peringkat daya LED.

Untuk daya tinggi, bukan LED yang murah seperti XP-G, pasokan arus konstan dapat digunakan untuk keuntungan yang baik karena akan menjaga arus melalui LED tetap terlepas dari variasi dalam Vf LED atau input tegangan ke arus konstan. Pasokan. Paling umum, meskipun, resistor digunakan secara seri dengan sumber tegangan untuk membatasi arus melalui LED.

Nilai resistor ditentukan dengan mengurangi Vf minimum yang ditentukan LED dari tegangan output maksimum sumber, dan kemudian membagi perbedaan itu dengan arus LED yang diinginkan. Perlawanan itu akan memastikan bahwa "tegangan maksimum" LED tidak akan pernah terlampaui, dan Anda dapat melihat bahwa tidak ada batasan (well ...) untuk tegangan sumber yang diperbolehkan karena resistor akan menghilangkan semua yang tidak perlu LED. .

Saya akan membahas Peak Inverse Voltage (kadang-kadang terlihat sebagai tegangan balik) dari dioda. PIV adalah tegangan di mana sambungan dioda mulai rusak ketika bias terbalik (yaitu tegangan mundur). Untuk sebagian besar LED relatif rendah (5V khas - saya melakukan pencarian cepat dan menemukan 3 produsen berbeda yang semuanya memiliki 5V). Tergantung pada sumber listriknya mungkin tidak masalah (baterai tegangan rendah membuatnya menjadi titik yang relatif bisa diperdebatkan). Sumber daya lain seperti AC / DC konverter dapat memiliki tegangan tinggi dengan polaritas berlawanan desain untuk waktu yang singkat ketika sumber atau perangkat yang dikendalikan seperti relay dihidupkan dan dimatikan.
Oleh karena itu setiap aplikasi yang memiliki sumber daya lebih besar dari 5V harus memiliki perlindungan terbalik untuk LED. Ini bisa berupa bias dioda terbalik pada LED untuk perlindungan sederhana atau teknik lain yang lebih canggih.