Por que um LED tem uma tensão máxima?

Ao alimentar um circuito de LED simples (fonte de energia CC, LED, resistor), a tensão de alimentação é importante, desde que o valor do resistor limitador de corrente calculado corretamente seja usado?

Em outras palavras, existe / poderia haver algo inerentemente errado ao alimentar um LED com 12V ou 24V, desde que eu usei o resistor correto, soubesse a tensão direta do LED, soubesse a corrente máxima e o calculasse usando algo como isto , quando eu poderia ter alimentado o mesmo LED com uma fonte de 3,5V conhecendo as mesmas variáveis ​​e usando o mesmo site?

Suponho que exista um limite para a quantidade máxima de tensão a ser usada no LED aqui ... quando olho para o gráfico de características elétricas do CREE XP-G, por exemplo, ele mostra a corrente em função da tensão, com tensão começando em torno de 2.5V @ 0ma, atingindo o máximo em torno de 3.25V @ 1500ma (a corrente máxima em que o LED está classificado, conforme descrito na tabela Características no mesmo documento.

Após 3,25V, o gráfico mostra a corrente se aproximando rapidamente do infinito.

Suponho que isso esteja relacionado à minha pergunta, só estou curioso para saber como tudo está relacionado. Tenho certeza de que são todas as coisas básicas da lei de Ohm, eu apenas apreciaria um esclarecimento da matemática no trabalho.

Não há limite de tensão, por si só, usado para alimentar o circuito que aciona o diodo. O diodo se importa apenas com o que o diodo pode ver e não pode ver a tensão cair através do resistor limitador de corrente.

$I^2R$. Se você quiser manter a corrente constante no caso de aumentar a queda de tensão necessária, R acabará por ficar grande e dissipará muita energia. A potência que os resistores axiais do moinho podem dissipar é de 1/4 watt. Para uma corrente de 20 mA, isso significa limitar a potência do resistor a 1/4 de watt, você não pode exceder 625 ohm, o que significa que você pode cair no máximo 12,5 volts através dele e ficar com uma fonte de alimentação de aproximadamente 14,5V para um LED vermelho. É pior para resistores SMD de pequenos pacotes, que geralmente são de 1/8 Watt ou menos. Se você precisar de mais queda de tensão, teria que mudar para um resistor de potência mais alta, que pode ficar fisicamente grande e também mais caro.

Quanto ao motivo pelo qual a tensão real no LED não muda muito drasticamente, dada a escolha adequada do resistor limitador de corrente, uma maneira conveniente de ver isso é com a técnica "linha de carga". Em http://i.stack.imgur.com/1cUKU.png , (Imagem de domínio público da Wikimedia):

$V_D = 0$$V_{DD}/R$$V_D = V_{DD}$$V_{DD}$ menos do que drasticamente, esse ponto não será movido tanto quanto você pensa que pode cair em termos de tensão final no diodo, devido à inclinação da curva do diodo.

O objetivo do resistor em série é acelerar a corrente através do LED. A voltagem direta do LED entra no cálculo do resistor limitador de corrente.

Não há nada de fundamentalmente errado em usar uma tensão mais alta se você dimensionar adequadamente o resistor limitador de corrente para a tensão. Ao mesmo tempo, você estará dissipando mais energia na atual resistência limitadora. Portanto, você precisará de um resistor com potência suficiente.

Em geral, a corrente do diodo aumenta exponencialmente com a tensão:

onde c é uma constante, dependendo da geometria, doping, temperatura etc.

Essa é a razão pela qual um LED de alta potência sempre deve ser acionado por uma corrente constante, e não por uma fonte de tensão constante. Pequenas variações de c (por exemplo, mudança de temperatura) ou U causariam uma mudança maciça na corrente.

O resistor em série funciona porque sua resistência geralmente é muito maior que a resistência diferencial de um LED. Do ponto de vista do LED, a fonte de tensão mais o resistor se comporta como uma fonte de corrente.

a tensão de alimentação é importante, desde que o valor do resistor limitador de corrente calculado corretamente seja usado?

Não. Diodos são dispositivos atuais. Eles têm uma queda de tensão que você deve levar em consideração em seu circuito, mas são acionados por corrente e contanto que você limite a corrente adequadamente e resfriam o diodo, se necessário (para LEDs de alta potência), então não há limite de tensão de alimentação .

A tensão no próprio LED será a queda de tensão do diodo, que dependerá um pouco da corrente através do diodo, mas principalmente da composição do diodo. A aplicação de uma tensão muito grande nos terminais do diodo (ou seja, sem o limite de corrente) resultará em corrente acima do limite do diodo e danificará o LED.

Com a limitação de corrente apropriada, você pode usar uma fonte de alimentação de um milhão de volts para alimentar um LED. Embora nesse ponto você precise verificar se há um isolamento adequado entre os terminais das várias partes ...

Um LED tem uma "tensão máxima" porque sua resistência diminui drasticamente - como em qualquer outro diodo - à medida que sua voltagem direta é aumentada além do joelho, e esse aumento de voltagem no LED acoplado ao aumento de corrente através dele (devido a a diminuição de sua resistência direta) aumenta a potência que o LED deve dissipar e, assim, sua temperatura operacional. Então, se a corrente através da junção do LED puder ultrapassar sua classificação máxima absoluta, sua vida útil será reduzida e a fumaça mágica escapará, mais cedo ou mais tarde.

No caso do CREE XP-G a que você se referiu, peguei a plotagem de corrente de tensão direta contra a frente da folha de dados e a sobreponha com a plotagem de resistência direta contra a tensão direta derivada, como mostrado abaixo. Bastante bruto porque eu não fiz nenhum ajuste de curva, mas é fácil ver a enorme mudança na resistência direta para a pequena alteração de 250 milivolts na tensão direta de 2,5 a 2,75 volts.

Devido a essa extrema sensibilidade à tensão e como a localização do joelho de um diodo não pode ser prevista com muita certeza, os LEDs geralmente não são acionados por fontes de tensão brutas, mas por fontes de tensão limitadas de corrente ou corrente constantes projetadas para nunca permitir o produto da corrente através do LED e a tensão caiu pelo LED para exceder a potência nominal do LED.

Para LEDs de alta potência, e não baratos, como o XP-G, uma fonte de corrente constante pode ser usada com vantagem, pois manterá a corrente através do LED fixa, independentemente das variações no LED Vf ou da entrada de tensão na corrente constante fornecem. Mais comumente, porém, um resistor é usado em série com uma fonte de tensão para limitar a corrente através do LED.

O valor do resistor é determinado subtraindo o Vf mínimo especificado do LED da tensão máxima de saída da fonte e dividindo essa diferença pela corrente de LED desejada. Essa resistência garantirá que a "tensão máxima" do LED nunca será excedida e você pode ver que não há limite (bem ...) para a tensão de fonte permitida, pois o resistor se livra de tudo o que o LED não precisa .

Vou cobrir a tensão inversa de pico (às vezes vista como a tensão reversa) do diodo. O PIV é a tensão na qual a junção do diodo começa a quebrar quando é polarizada reversa (ou seja, a tensão é inversa). Para a maioria dos LEDs, é relativamente baixo (5V é típico - fiz uma pesquisa rápida e encontrei 3 fabricantes diferentes, todos com 5V). Dependendo da fonte de energia, isso pode não importar (uma bateria de baixa tensão o torna um ponto relativamente discutível). Outras fontes de energia, como conversores CA / CC, podem ter alta voltagem com a polaridade oposta ao projeto por um breve período em que a fonte ou dispositivos controlados, como relés, são ligados e desligados.
Portanto, qualquer aplicativo que tenha uma fonte de energia superior a 5V deve ter proteção reversa para o LED. Este pode ser um diodo polarizado invertido através do LED para proteção simples ou outras técnicas mais avançadas.