Mengapa kita perlu resistor di led

Saya telah meneliti dan mengatakan bahwa resistor membatasi arus yang mengalir melalui LED.

Tetapi pernyataan ini membingungkan saya karena kita tahu bahwa dalam rangkaian seri, arus adalah konstan di setiap titik, jadi mengapa sebuah resistor dapat membatasi arus yang mengalir?

LED memiliki tegangan yang cukup konstan, seperti 2.2V untuk LED merah, yang hanya sedikit naik dengan arus. Jika Anda memasok 3V ke LED ini tanpa resistor seri, LED akan mencoba mengatur kombinasi tegangan / arus untuk 3V ini. Tidak ada arus yang sesuai dengan tegangan seperti ini, secara teoritis itu akan menjadi 10s, mungkin 100s dari ampere, yang akan menghancurkan LED. Dan itulah yang terjadi jika catu daya Anda dapat memasok arus yang cukup.
Jadi solusinya adalah resistor seri. Jika LED Anda membutuhkan 20mA, Anda dapat menghitung untuk LED merah pada contoh

$R = \dfrac{\Delta V}{I} = \dfrac{3V - 2.2V}{20mA} = 40 \Omega$

Anda mungkin berpikir bahwa memasok 2.2V secara langsung juga akan berhasil, tetapi itu tidak benar. Perbedaan sedikit dalam LED atau tegangan suplai dapat menyebabkan LED menyala sangat redup, sangat terang, atau bahkan hancur. Sebuah resistor seri akan memastikan bahwa sedikit perbedaan dalam tegangan hanya memiliki efek kecil pada arus LED, asalkan penurunan tegangan melintasi resistor cukup besar.

Intinya adalah LED adalah dioda pula dan dioda memiliki resistansi internal yang sangat kecil (dalam arah "maju" tentu saja), jadi kecuali ada sesuatu yang lain dalam rangkaian resistansi keseluruhan sangat rendah dan arus hampir tidak terbatas dan arus ini nyaris tidak terbatas dapat merusak LED dan membebani sirkuit yang memberi daya.

Jadi ya, Anda sepenuhnya benar bahwa arusnya sama di setiap titik rangkaian ketika elemen terhubung secara seri, tetapi ketika Anda menambahkan resistor, Anda meningkatkan resistansi keseluruhan seri dan ini mengurangi arus.

Selalu dengan jawaban yang rumit ;-). Lihatlah seperti ini. Apa yang terjadi ketika Anda meletakkan kabel di terminal baterai? Di dunia yang sempurna Anda mendapatkan arus tanpa batas yang melelehkan kawat. Kami menyebutnya curcuit pendek. Karena dioda dirancang untuk memiliki resistensi maju minimal, kami mendapatkan efek yang sama dengan pendek. Letakkan resistor di sana untuk memberikan sesuatu untuk melawan arus untuk membatasi turun dari infinity

Bayangkan itu

• Anda memiliki motor bertenaga air yang kecepatannya sebanding dengan aliran arus.

• Motor itu sendiri menawarkan sedikit resistensi terhadap aliran arus - Anda harus mengontrol aliran arus eksternal ke pompa.

• Anda memiliki pompa yang mampu memompa 10 liter per detik melalui pipa 10 meter ke motor kemudian melalui motor dan kemudian melalui pipa 10 meter lainnya ke sisi hisap pompa. (Laju aliran terkait dengan tekanan yang dibuat pompa dan resistensi pipa - yaitu BUKAN pompa perpindahan positif.

• Ketika pompa dioperasikan Anda menemukan bahwa motor menjalankan JAUH terlalu cepat dan Anda perlu membatasi aliran sekitar 1 liter / detik.

Untuk mencapai persyaratan tersebut, Anda dapat menempatkan katup pereduksi di sirkuit untuk menjatuhkan sebagian besar tekanan dan membatasi aliran. Katup bekerja untuk menjatuhkan sejumlah tekanan di atasnya pada laju aliran yang diberikan dan disesuaikan. (Ini tentang berapa banyak katup air rel yang berfungsi).

Anda dapat menempatkan katup DI MANA SAJA di sirkuit dan itu akan mencapai hasil yang diinginkan. Bisa di inlet pompa atau keluar atau di motor keluar atau inlet atau di mana saja di kedua pipa.

Ini adalah analogi yang dekat dengan Anda pertanyaan LED. Arus perlu dibatasi karena terlalu tinggi tanpa pembatas. Pembatas dapat ditempatkan di mana saja di sirkuit.

Dengan rangkaian LED - resistor Baterai

LED memiliki penurunan tegangan tertentu yang ditentukan pada arus yang dipilih.
Untuk lebih spesifik katakanlah pada 20 mA LED turun tepat 3,00 Volt. Ini khas dari beberapa LED modern.
Jika kami ingin menjalankan LED pada 20 mA, kami HARUS mengaturnya untuk menjatuhkan 3 V - tidak lebih dan tidak kurang.
Jika kami ingin menggunakan pasokan 9V untuk mengoperasikan LED, kami N = HARUS "singkirkan" 9-3 = 6B.
Resistor melakukan ini.
Untuk menjatuhkan 6V pada 20 mA resistor yang dibutuhkan adalah R = V / I = 6 / 0,02 = 300 ohm.
Dalam contoh ini baterai 9V + resistor + LED akan beroperasi pada 20 mA. Resistor dapat ditempatkan sebelum atau setelah LED. Arus dijatuhkan di lokasi mana pun.

Itu tidak relevan dengan pertanyaan ini tetapi sangat penting untuk mengetahui pernyataan Anda itu

• "Kita tahu seri ciircuit itu, arusnya konstan di setiap titik."

salah.

Ada banyak sirkuit di mana ini adalah rue -tapi juga banyak sirkuit di mana itu tidak benar.
Di sirkuit DC dengan hanya komponen resistif, seperti 1 LED ini, 1 rangkaian resistor, maka itu benar. TETAPI ketika ada komponen reaktif hadir seperti induktor dan kapasitor atau elemen non linier tertentu lainnya maka sering TIDAK benar.

Mari kita fokus pada apa yang penting di sini: Kurva karakteristik LED (yang merupakan dioda). Silakan lihat gambar ini dari wikipedia. Seperti yang Anda lihat, untuk tegangan positif melintasi dioda arusnya meningkat secara eksponensial. Bayangkan sekarang Anda menghubungkan LED Anda ke catu daya tanpa resistor. Anda harus mengatur tegangan yang tepat di dioda untuk mendapatkan arus yang tepat yang Anda butuhkan untuk menyalakan LED. Jika karena alasan apa pun catu daya Anda naik sedikit di atas tegangan yang Anda butuhkan maka arus akan secara eksponensial lebih tinggi daripada sebelumnya yang dapat (itu akan!) Merusak dioda Anda. Jadi, bagaimana sebuah resistor dapat membantu kita dengan masalah ini? UMPAN BALIK!Salah satu konsep terpenting dalam elektronik! Mari kita kembali ke contoh kita, dan tambahkan resistor secara seri dengan dioda dan catu daya. Sekarang, setiap kali catu daya Anda melebihi tegangan nominal, dioda akan meningkatkan arusnya secara eksponensial lagi, tetapi karena arus semakin tinggi tegangan melintasi resistor akan lebih tinggi juga, yang berarti, tegangan melintasi dioda akan berkurang, mengimbangi catu daya peningkatan tegangan.

LED adalah dioda yang terbuat dari bahan semikonduktor yang menghasilkan foton cahaya ketika arus mengalir melalui material. Semakin banyak arus melalui LED, semakin banyak cahaya LED akan memancarkan, semakin terang itu. Namun ada batas atas yaitu jumlah arus yang cukup untuk merusak LED.

LED menawarkan sedikit perlawanan terhadap arus yang mengalir melewatinya. Sebagian besar hambatan kecil yang ditawarkannya berasal dari energi yang hilang dari cahaya yang dipancarkan dan generasi foton sangat efisien sehingga hambatannya dapat diabaikan. Namun dengan meningkatnya arus, peningkatan jumlah cahaya, LED pada beberapa titik akan gagal karena jumlah arus yang melalui LED menyebabkan kerusakan material. Dengan jumlah arus yang cukup besar, penguapan bahan yang dahsyat dapat menyebabkan ledakan kecil di dalam selubung luar LED. Dengan level saat ini yang lebih rendah ditemukan di sirkuit digital 3.3v atau 5v hasil yang paling mungkin adalah bahan semikonduktor gagal dan berhenti melakukan dan LED tidak lagi menyala.

Bagaimana tegangan rangkaian mempengaruhi gambar arus LED? Karena LED adalah jenis dioda, persamaan dioda Shockley menggambarkan arus yang dimungkinkan oleh dioda pada berbagai tingkat tegangan. Persamaan menunjukkan bahwa hasil fungsi Shockley untuk rentang tegangan tertentu mengikuti kurva eksponensial. Ini berarti bahwa perubahan tegangan yang kecil dapat membuat perubahan besar pada arus. Jadi, menggunakan LED dalam rangkaian sederhana yang tegangannya lebih tinggi daripada Forward Voltage LED berisiko memiliki arus listrik yang secara mengejutkan lebih banyak daripada tingkat yang disarankan sehingga menyebabkan kegagalan LED.

Lihat topik Wikipedia Sirkuit LED serta persamaan Wikipedia dioda Shockley .

Jadi idenya adalah untuk merekayasa sirkuit LED sehingga membatasi jumlah arus yang mengalir melalui LED. Kami ingin menyeimbangkan memiliki arus yang cukup untuk menyebabkan tingkat kecerahan yang diinginkan tanpa terlalu banyak sehingga bahan LED gagal. Metode membatasi arus yang paling umum adalah menambahkan resistor ke rangkaian.

LED harus memiliki lembar data yang menggambarkan karakteristik dan toleransi listrik LED. Sebagai contoh, lihat lembar data ini No. Model: YSL-R531R3D-D2 .

Karakteristik pertama yang kami minati adalah (1) berapa arus maksimum yang dapat dipertahankan oleh LED sebelum terjadi kerusakan material yang mengakibatkan kegagalan LED dan (2) berapa kisaran arus yang disarankan. Ini dan Penilaian Maksimum lainnya untuk LED merah standar tipikal (LED yang berbeda akan memiliki nilai yang berbeda) ada dalam tabel sebagaimana diduplikasi di bawah ini.

Dalam tabel dari lembar data untuk LED merah standar ini kita melihat bahwa arus maksimum adalah 20mA dengan kisaran yang direkomendasikan adalah 16mA hingga 18mA. Kisaran yang direkomendasikan ini adalah arus LED paling terang tanpa risiko kerusakan material. Kami juga melihat bahwa Disipasi Daya terukur adalah 105mW. Kami ingin memastikan bahwa dalam desain sirkuit LED kami, kami tetap berada dalam kisaran yang disarankan ini.

Mencari di tabel berikutnya kita menemukan nilai Tegangan Maju untuk LED 2.2v. Nilai Tegangan Maju adalah penurunan tegangan saat arus mengalir melalui LED ke arah maju, dari anoda ke katoda. Lihat Apa itu tegangan "maju" dan "mundur" ketika bekerja dengan dioda? .

Jika kita menggunakan LED ini dalam sebuah sirkuit dengan 2.2V dan arus 20mA maka LED akan menghilang 44mW yang berada dalam zona aman disipasi daya kita. Jika perubahan saat ini dari 20mA ke 100mA disipasi akan menjadi 5 kali lebih besar atau 220mW yang jauh di atas Daya Disipasi 105mW untuk LED sehingga kita bisa berharap LED gagal. Lihat Apa yang terjadi pada LED saya ketika saya memasok terlalu banyak arus? .

Untuk mengurangi arus melalui LED ke level yang disarankan, kami akan memperkenalkan resistor ke sirkuit. Nilai resistor apa yang harus kita gunakan?

Kami menghitung nilai resistor menggunakan Hukum Ohm V = I x R,. Namun kami akan melakukan transformasi aljabar karena kami ingin menyelesaikan untuk Resistance daripada Voltage jadi kami menggunakan rumus R = V / I.

Nilai I, saat ini dalam ampere, cukup jelas, mari kita gunakan minimum yang disarankan 16mA atau .016A dari lembar data LED dalam rumus yang diubah. Tetapi nilai apa yang harus kita gunakan untuk volt, V?

Kita perlu menggunakan drop tegangan resistor yang merupakan kontribusi resistor terhadap penurunan tegangan total seluruh rangkaian. Jadi kita perlu mengurangi kontribusi penurunan tegangan LED dari total tegangan rangkaian untuk menentukan kontribusi penurunan tegangan yang diperlukan dari resistor. Penurunan tegangan LED adalah nilai tegangan maju, penurunan tegangan dalam arah maju dari anoda ke katoda, dari tabel di atas.

Untuk proyek Raspberry Pi standar yang menggunakan rel 3.3V sebagai sumber listrik, perhitungannya akan menjadi (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

Jadi mengapa nilai resistor seperti 200 ohm umum digunakan ketika perhitungan menunjukkan 69 ohm?

Jawaban yang mudah adalah bahwa resistor 200 ohm adalah resistor umum yang termasuk dalam banyak kit percobaan. Kami ingin menggunakan resistor umum jika cahaya yang dipancarkan oleh LED tidak akan berkurang.

Jadi jika kita mengubah dari resistor 69 ohm menjadi resistor 200 ohm, apa perubahan arusnya? Sekali lagi kita menggunakan hukum Ohm saat ini untuk menyelesaikan arus di sirkuit, I = V / Ratau 3.3v / 200 ohms = .0165Adan ketika kita melihat lembar data LED kita melihat bahwa nilai ini berada dalam kisaran yang direkomendasikan dari 16 mA hingga 18 mA sehingga LED harus cukup cerah.

Sederhananya, led memiliki resistansi rendah, jika dihubungkan ke battary saja arus yang mengalir melaluinya akan sangat tinggi (I = V / R), arus tinggi berarti lebih banyak daya yang dihamburkan dalam resistansi led kecil, yang mengarah pada pembakaran dioda. (Termal), karena bahan memiliki konstanta transfear panas yang sangat rendah.

Perhatikan bahwa daya yang hilang = (I ^ 2 × R).