¿Por qué tiene un LED un voltaje máximo?

Question

Cuando se alimenta un circuito LED simple (fuente de alimentación de CC, LED, resistor), ¿importa el voltaje de suministro, siempre y cuando se use el valor correcto del resistor limitador de corriente calculado?

En otras palabras, ¿hay / podría haber algo inherentemente incorrecto al alimentar un LED con 12V o 24V siempre y cuando haya usado el resistor correcto, conociera el voltaje directo del LED, conociera la corriente máxima y la calculé usando algo como esto, cuando podría haber alimentado el mismo LED con un suministro de 3.5V conociendo las mismas variables y usando el mismo sitio web?

Supongo que hay un límite para la cantidad máxima de voltaje a usar para el LED aquí... cuando veo el gráfico de características eléctricas para el CREE XP-G, por ejemplo, muestra la corriente como una función del voltaje, con el voltaje empezando alrededor de 2.5V @ 0mA, alcanzando un máximo alrededor de 3.25V @ 1500mA (la corriente máxima para la que el LED está clasificado, como se describe en la tabla de características en el mismo documento.

Después de 3.25V, el gráfico muestra la corriente acercándose rápidamente hacia infinito.

Supongo que esto se relaciona con mi pregunta, solo tengo curiosidad de cómo está todo relacionado. Estoy seguro de que todo es algo básico de la ley de Ohm, solo apreciaría una aclaración sobre las matemáticas involucradas.

Answer 1

No hay un límite en el voltaje, per se, que utilices para alimentar el circuito que activa el diodo. Al diodo solo le importa lo que el diodo puede ver, y no puede ver la caída de voltaje a través de la resistencia limitadora de corriente.

Dicho esto, en algún momento te importará la potencia disipada a través de la resistencia, que es \$ I^2R \$. Si deseas mantener la corriente constante en caso de que crezca la caída de voltaje requerida, entonces R eventualmente se volverá grande y disipará demasiada potencia. La potencia que las resistencias estándar axiales pueden disipar es de 1/4 vatio. Para una corriente de 20mA, significa que para limitar la potencia a través de la resistencia a 1/4 vatio, no puedes exceder los 625 ohmios, lo que significa que puedes caer máximamente 12.5 voltios a través de ella, y estás limitado a una fuente de alimentación de aproximadamente 14.5V para un LED rojo. Es peor para las resistencias SMD de paquete pequeño, que a menudo son de 1/8 vatio o menos. Si necesitas una caída de voltaje mayor, tendrías que cambiar a una resistencia con una clasificación de potencia más alta, lo que puede ser físicamente grande, además de más costoso.

En cuanto a por qué el voltaje real a través del LED no cambia demasiado dramáticamente dado la elección adecuada de la resistencia limitadora de corriente, una manera conveniente de ver esto es con la técnica de la "línea de carga". Desde https://i.sstatic.net/1cUKU.png, (Imagen de dominio público de Wikimedia):

La línea inclinada negativa representa la resistencia. Si \$ V_D = 0 \$ habría \$V_{DD}/R \$ de corriente a través de la resistencia, y si \$ V_D = V_{DD} \$, entonces no hay corriente a través de la resistencia (ya que no hay caída de voltaje a través de la resistencia). El circuito "vive" en el punto de equilibrio donde la línea de la resistencia y la curva del diodo se intersectan, ya que DEBES tener la misma corriente a través del diodo y la resistencia. Ten en cuenta que cambiar R y \$ V_{DD} \$ no moverá este punto tanto como crees que podría en términos de la caída de voltaje final a través del diodo, debido a lo pronunciada que se vuelve la curva del diodo.

Answer 2

El propósito de la resistencia en serie es controlar la corriente a través del LED. El voltaje directo del LED entra en el cálculo de la resistencia limitadora de corriente.

$$ R = \frac{V_{cc} - V_f}{I_f} $$

No hay nada fundamentalmente incorrecto en utilizar un voltaje más alto si dimensionas adecuadamente la resistencia limitadora de corriente para el voltaje. Al mismo tiempo, estarás disipando más potencia en la resistencia limitadora de corriente. Por lo tanto, necesitarás una resistencia con una calificación de potencia suficiente.

Answer 3

En general, la corriente del diodo aumenta exponencialmente con el voltaje:

$$I = e^{cU}$$

donde c es una constante que depende de la geometría, dopaje, temperatura, etc.

Esta es la razón por la cual un LED de alta potencia siempre debe ser alimentado por una corriente constante, y no por una fuente de voltaje constante. Pequeñas variaciones en c (por ejemplo, cambios de temperatura) o U podrían causar un cambio masivo en la corriente.

La resistencia en serie funciona, porque su resistencia suele ser mucho mayor que la resistencia diferencial de un LED. Desde la perspectiva del LED, la fuente de voltaje más la resistencia se comportan como una fuente de corriente.

Answer 4

¿Importa el voltaje de suministro, siempre y cuando se use el valor correctamente calculado del resistor limitador de corriente?

No. Los diodos son dispositivos de corriente. Tienen una caída de voltaje que debe tenerse en cuenta en su circuito, pero son controlados por corriente y, siempre que se limite la corriente de forma adecuada y se enfríe el diodo si es necesario (para LED de alta potencia), entonces no hay límite de voltaje de suministro.

El voltaje en el LED en sí será la caída de voltaje del diodo, que dependerá un poco de la corriente a través del diodo, pero en su mayoría de la composición del diodo. Aplicar un voltaje demasiado alto en los terminales del diodo (es decir, sin la limitación de corriente) resultará en una corriente por encima del límite del diodo y dañará el LED.

Con la limitación de corriente adecuada, sin embargo, se puede usar una fuente de alimentación de un millón de voltios para alimentar un LED. Aunque en ese punto tendrás que verificar la adecuada aislación entre los terminales de las diferentes partes...

Answer 5

Un LED tiene un "voltaje máximo" porque su resistencia disminuye drásticamente, al igual que en cualquier otro diodo, a medida que su voltaje directo aumenta más allá de su punto de inflexión, y este aumento de voltaje a través del LED junto con el aumento de corriente a través de él (debido a la disminución de su resistencia directa) aumenta la potencia que el LED debe disipar y, por lo tanto, su temperatura de funcionamiento. Entonces, si se permite que la corriente a través de la unión del LED aumente más allá de su calificación máxima absoluta, su vida útil se acortará y el humo mágico escapará, tarde o temprano.

En el caso del CREE XP-G al que te refieres, he tomado el gráfico de Voltaje Directo VS Corriente Directa del data sheet y lo he superpuesto con el gráfico derivado de Voltaje Directo VS Resistencia Directa como se muestra a continuación. Bastante rudimentario porque no hice ningún ajuste de curva, pero es fácil ver el gran cambio en la resistencia directa por el pequeño cambio de 250 milivoltios en el voltaje directo de 2.5 a 2.75 voltios.

Debido a esta extrema sensibilidad al voltaje y porque la ubicación del punto de inflexión de un diodo no se puede predecir con gran certeza, los LEDs generalmente no se controlan con fuentes de voltaje sin procesar, sino con fuentes de corriente constante o voltaje limitado por corriente diseñadas para nunca permitir que el producto de la corriente a través del LED y el voltaje caído por el LED exceda la potencia nominal del LED.

Para LEDs de alta potencia, no económicos como el XP-G, se puede utilizar una fuente de corriente constante con buena ventaja porque mantendrá la corriente a través del LED fija independientemente de las variaciones en Vf del LED o el voltaje de entrada a la fuente de corriente constante. Sin embargo, más comúnmente, se usa un resistor en serie con una fuente de voltaje para limitar la corriente a través del LED.

El valor del resistor se determina restando el Vf mínimo especificado del LED del voltaje de salida máximo de la fuente, y luego dividiendo esa diferencia por la corriente deseada a través del LED. Esa resistencia asegurará que el "voltaje máximo" del LED nunca sea excedido, y se puede ver que no hay límite (bueno...) para el voltaje de la fuente permitido, ya que el resistor eliminará todo lo que el LED no necesita.