¿Por qué un LED tiene una tensión máxima?

Question

Cuando se alimenta un circuito LED sencillo (fuente de alimentación de CC, LED, resistencia), ¿importa la tensión de alimentación, siempre que se utilice el valor de la resistencia limitadora de corriente calculado correctamente?

En otras palabras, ¿hay/puede haber algo intrínsecamente incorrecto al alimentar un LED con 12V o 24V siempre y cuando use la resistencia correcta, conozca el voltaje de avance del LED, conozca la corriente máxima y la calcule usando algo así cuando podría haber alimentado el mismo LED con una fuente de 3,5V conociendo las mismas variables y utilizando la misma página web?

Asumo que hay un límite en la cantidad máxima de voltaje que se puede usar para el LED aquí... cuando miro la tabla de características eléctricas para el CREE XP-G, por ejemplo, muestra la corriente en función del voltaje, con un voltaje que comienza en alrededor de 2,5V @ 0ma, y llega a un máximo de alrededor de 3,25V @ 1500ma (la corriente máxima a la que el LED está clasificado, como se describe en la tabla de características en el mismo documento.

A partir de 3,25V, el gráfico muestra una corriente que se acerca rápidamente al infinito.

Supongo que esto se relaciona con mi pregunta, sólo tengo curiosidad por saber cómo se relaciona todo. Estoy seguro de que es todo el material básico de la ley de Ohm, sólo agradecería una aclaración de las matemáticas en el trabajo.

Answer 1

No hay límite en el voltaje, per se, que se utiliza para alimentar el circuito que impulsa el diodo. El diodo sólo se preocupa por lo que el diodo puede ver, y no puede ver la caída de tensión a través de la resistencia limitadora de corriente.

Dicho esto, en algún momento lo que te va a importar es la potencia disipada a través de la resistencia, que es \$ I^2R \$ . Si quiere mantener la corriente constante en el caso de una caída de tensión creciente, entonces R acabará siendo grande, y disipará demasiada potencia. La potencia que pueden disipar las resistencias de plomo axial es de 1/4 de vatio. Para una corriente de 20mA, eso significa que para limitar la potencia a través de la resistencia a 1/4 de vatio, no se puede exceder de 625 ohmios, lo que significa que se puede dejar caer un máximo de 12,5 voltios a través de ella, y se está en el límite de una fuente de alimentación de alrededor de 14,5V para un LED rojo. Es peor para las resistencias SMD de paquete pequeño, que suelen ser de 1/8 de vatio o menos. Si necesitas una mayor caída de tensión, tendrás que cambiar a una resistencia de mayor potencia, que puede ser físicamente grande, así como más cara.

En cuanto a la razón por la que la tensión real a través del LED no cambia demasiado si se elige correctamente la resistencia limitadora de corriente, una forma conveniente de verlo es con la técnica de la "línea de carga". En http://i.stack.imgur.com/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 tensión a través de la resistencia). El circuito "vive" en el punto de equilibrio donde se cruzan la línea de la resistencia y la curva del diodo, ya que DEBE tener la misma corriente a través del diodo y de la resistencia. Tenga en cuenta que al cambiar R y \$ V_{DD} \$ menos que dramáticamente no moverá este punto tanto como usted piensa que podría en términos de la caída de voltaje final a través del diodo, debido a lo empinada que se vuelve la curva del diodo.

Answer 2

El propósito de la resistencia en serie es estrangular la corriente a través del LED. La tensión directa del LED entra en el cálculo de la resistencia limitadora de corriente.

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

No hay nada fundamentalmente malo en utilizar un voltaje más alto si el tamaño de la resistencia limitadora de corriente es el adecuado para el voltaje. Al mismo tiempo, disipará más potencia en la resistencia limitadora de corriente. Por lo tanto, necesitarás una resistencia con una potencia suficiente.

Answer 3

En general, la corriente del diodo aumenta exponencialmente con la tensión:

$$I = e^{cU}$$

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

Esta es la razón por la que un LED de alta potencia siempre debe ser impulsado por una corriente constante, y no por una fuente de tensión constante. Pequeñas variaciones en c (por ejemplo, cambio de temperatura) o en U causarían 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 tensión más la resistencia se comporta como una fuente de corriente.

Answer 4

¿importa la tensión de alimentación, siempre que se utilice el valor de la resistencia limitadora de corriente correctamente calculado?

No. Los diodos son dispositivos de corriente. Tienen una caída de voltaje que debes tener en cuenta en tu circuito, pero son accionados por corriente y mientras limites la corriente adecuadamente, y enfríes el diodo si es necesario (para los LEDs de alta potencia), entonces no hay límite de voltaje de alimentación.

La tensión en el propio LED será la caída de tensión del diodo, que dependerá un poco de la corriente que pase por el diodo, pero sobre todo de la composición del mismo. La aplicación de una tensión demasiado grande en los terminales del diodo (es decir, sin la limitación de la corriente) dará lugar a una corriente superior al límite del diodo, y dañará el LED.

Sin embargo, con la limitación de corriente adecuada, se puede utilizar una fuente de alimentación de un millón de voltios para alimentar un LED. Aunque en ese punto tendrás que comprobar que hay un aislamiento adecuado entre los terminales de las distintas piezas...

Answer 5

Un LED tiene una "tensión máxima" porque su resistencia disminuye drásticamente -al igual que en cualquier otro diodo- a medida que su tensión directa se incrementa más allá de su límite, y este aumento de la tensión a través del LED junto con el aumento de la corriente que lo atraviesa (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 capacidad máxima absoluta, su vida útil se acortará y el humo mágico se escapará, tarde o temprano.

En el caso de la CREE XP-G a la que te refieres, he tomado el gráfico de voltaje hacia delante VS corriente hacia delante del hoja de datos y lo superpusimos con el gráfico derivado de Tensión de avance VS Resistencia de avance como se muestra a continuación. Más bien crudo porque no hice ningún ajuste de la curva, pero es fácil ver el enorme cambio en la resistencia hacia adelante para el pequeño cambio de 250 milivoltios en la tensión hacia adelante de 2,5 a 2,75 voltios.

Debido a esta extrema sensibilidad a la tensión y a que no se puede predecir con gran certeza la ubicación del codo de un diodo, los LED no suelen ser accionados por fuentes de tensión bruta, sino por fuentes de tensión de corriente constante o limitada, diseñadas para que el producto de la corriente que pasa por el LED y la tensión que éste deja caer nunca supere la potencia nominal del LED.

En el caso de los LEDs de alta potencia y no baratos, como el XP-G, se puede utilizar una fuente de corriente constante, ya que mantendrá fija la corriente que pasa por el LED, independientemente de las variaciones de Vf del LED o de la tensión de entrada a la fuente de corriente constante. Sin embargo, lo más habitual es utilizar una resistencia en serie con una fuente de tensión para limitar la corriente que pasa por el LED.

El valor de la resistencia se determina restando la Vf mínima especificada del LED a la tensión máxima de salida de la fuente, y dividiendo luego esa diferencia por la corriente deseada del LED. Esa resistencia asegurará que nunca se supere la "tensión máxima" del LED, y puedes ver que no hay límite (bueno...) a la tensión de la fuente permitida ya que la resistencia se deshará de todo lo que el LED no necesite.