Por que meu resistor de LED queimava enquanto acendia quatro LEDs em série?

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Tentei criar um circuito para alternar um grande display de LED de 7 segmentos ( LDS-CD16RI ) usando um par de MOSFETs, da seguinte maneira:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Aqui, estou tentando usar um sinal lógico de 3,3V (ilustrado como o círculo 1) para alternar os 24V para acionar os LEDs. Este circuito é repetido para cada um dos segmentos da tela.

A voltagem direta típica de cada um dos LEDs (que estão em série dentro de cada segmento da tela) é de 6,8V, e sua corrente contínua máxima constante é de 20mA, então eu apontei para uma corrente de 10mA através dos LEDs. Como minha tensão de alimentação é de apenas 24V, planejei cair cerca de 5,75V entre os LEDs, para me dar algum espaço para a tensão cair entre M2 e R2.

Cheguei ao valor do resistor limitador de corrente R2 a 100Ω usando:

R = \frac{V_{s} - V_{f}}{I} = \frac{24 - (5.75 * 4)}{0.01} = 100 Ω

$R = \frac{V_s - V_f}{I} = \frac{24 - (5.75*4)}{0.01} = 100Ω$

Antes de construir este circuito, calculei a potência dissipada por R2 da seguinte forma:

P = \frac{V^{2}}{R} = \frac{1^{2}}{100} = 0.01 W

$P = \frac{V^2}{R} = \frac{1^2}{100} = 0.01\mathrm{W}$

0,01 W parecia seguro abaixo do limite de 0,25 W dos resistores de furo passante que usei, então continuei construindo e testando este circuito.

Para resumir uma longa história: o R2 acabou logo após a iluminação de um segmento. Isso ocorreu para cada uma das instâncias separadas deste circuito, acionando os vários segmentos da tela, sugerindo que se tratava de um erro de design e não de uma falha de um único componente.

Pelos meus cálculos e análises adicionais, ainda não consigo entender por que isso ocorreu. Para verificar meu trabalho, reconstruí o circuito em um simulador que sugeria que a energia do R2 seria de fato 6,84mW, o que é um resultado que não posso explicar, mas que, em qualquer caso, é menor do que o que havia calculado acima.

Espero ter cometido um erro em algum lugar dos meus cálculos ou suposições, mas não consegui localizá-lo. Assumindo que o problema é que o resistor está realmente dissipando muita energia, meu circuito pode ser ajustado para resolver isso? R2 é um arenque vermelho aqui e o problema existe em outro lugar do meu circuito? A minha abordagem em si é falha?

led resistors 7segmentdisplay

— Martin Atkins
fonte

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Meça a tensão real em cada um dos LEDs ao operar com seu resistor 100R e trilho de fonte de alimentação de 24V. Para uma boa medida, também meça a tensão no resistor.

— Dwayne Reid

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De acordo com o seu circuito, você está colocando 24 v no portão de M2. Isso não responde à sua pergunta sobre o resistor, mas uma vez que está funcionando, você não quer gravar o M2! Não consigo ativar os dados rapidamente em um FQU13P06L, mas presumivelmente você os possui.

— 29416 Neil_UK

seu cálculo de energia não coincide com o resultado da simulação, pois você não considera a queda de tensão no PMOS M2. Qual é a queda de tensão de saturação através dele?

— Anklon 29/06/16

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Segundo @DwayneReid. Um multímetro deve resolver esse mistério rapidamente.

— 21416 Daniel

Obrigado pela dica sobre a voltagem do portão no M2 ... Não percebi isso no meu trabalho inicial, mas agora vejo isso. Espero que eu vou ter uma outra questão sobre a resolução que depois que eu acho que isso por um pouco mais, embora eu preciso diminuir minha tensão de alimentação de qualquer maneira (por respostas abaixo), de modo que é provável que mude o problema

— Martin Atkins

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6,8 volts parece muito alto para um único LED. Tem certeza de que 6.8 não é o número para todos os quatro LEDs? Isso tornaria 1,7 volts por LED, o que é mais razoável para um LED vermelho. E isso significaria que você está atualmente pressionando 172 miliamperes, ou quase 3 watts, através do seu resistor.

Se for esse o caso, abaixe a fonte de alimentação para menos de 20 volts (talvez 12 volts) para não destruir a porta do seu MosFET (M2).

— Marca
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Mark está correto. R2 tem de ser cerca de 1800 ohm para 10 mA a 24 V.

— winny

Obrigado! Eu concluí que esse era um número por LED, porque o ponto decimal possui apenas dois dígitos e, portanto, esperava que não pudesse ser para todos os quatro LEDs, mas sua explicação faz sentido porque essa não é uma conclusão válida.

— Martin Atkins

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Para minha própria edificação, bem como para recalculá-la, refiz a simulação com os LEDs na tensão de avanço de 1.7V e confirmei que de fato ~ 3W também estava se dissipando no R2 na simulação.

— Martin Atkins

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Bem, isso ou adicione 8 ou 9 leds a mais. Use a energia que seria desperdiçada como calor.

— Transeunte

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@Passerby Adicione-os para quê? Se ele tivesse cem LEDs e planejasse conduzi-los quatro de cada vez, é claro que ele deveria correr mais em série. Mas como esse claramente não é o caso, isso não ajuda muito. É como "oh, eles estão dando comida para cachorro hoje, então eu preciso comprar um cachorro". :)

— Graham

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Eu vejo o seu problema. Seu circuito mostra como você está dirigindo um único segmento de LED. (Presumo que você tenha 7 desses circuitos, um para cada segmento.) A folha de dados mostra 4 LEDs em série, cobrindo o segmento.

Onde você errou é assumindo que há queda de tensão direta de 6,8V por LED. Não existe esse LED vermelho. Normalmente, um LED vermelho terá uma queda de tensão direta de 1,6V a 1,8V, e isso é uma característica da física envolvida, portanto não há muito espaço para variações. Isso me diz que você tem queda de tensão direta de 6,8V para todos os quatro LEDs nesse segmento em série .

Portanto, com uma queda de tensão de 6,8V e uma fonte de 24V, você está caindo 17,2V no 100R. Como Mark diz, isso fornece dissipação de energia de 172mA e 2,96W no resistor. Não é saudável para um resistor de 0,25 W.

Na verdade, você tem sorte de que o resistor de 0,25 W se torne basicamente um fusível nessas condições e queime quase imediatamente. Caso contrário, colocar 172mA através da tela queimaria isso rapidamente, e uma tela grande de 7 segmentos será bem mais cara que um resistor. Se você tivesse usado um resistor de maior potência, estaria se perguntando por que a tela piscou brevemente muito de fato e depois ficou preta para sempre.

— Graham
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Obrigado por esta resposta! Eu aceitei a resposta de Mark porque era mais cedo, mas ambas eram ótimas respostas e eu gostaria de poder ter aceito as duas. O esclarecimento de que o resistor atuou como um fusível nesse caso foi útil para pensar no que aconteceu aqui.

— Martin Atkins

@MartinAtkins Fair suficiente. Mark esteve lá primeiro - apenas adicionei um pouco mais de detalhes nas bordas. :) Fico feliz que foi útil.

— Graham

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@MartinAtkins Falando geralmente sobre SE, não sobre este tópico especificamente: você não deve aceitar uma resposta apenas porque é a primeira. Veja os vários tópicos no SE em que a 1ª resposta é extremamente ruim e, muitas vezes, excluída quando isso se torna evidente. Se aparecer mais tarde que melhor responder à sua pergunta, você poderá - e provavelmente deveria - alterar sua resposta aceita.

— underscore_d

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Você entendeu errado.

A voltagem direta na folha de dados é para séries de LEDs , não para LEDs individuais.

Assim, a queda de tensão nos LEDs é 6.8Ve não é 6.8V * 4ou5.xV *4

Assim, o resistor precisa lidar com 17.2Ve não 0..2V.

Assim, a corrente é .17Ae a energia é dissipada ~4W.

— Dima Tisnek
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O que exatamente essa resposta acrescenta que outras respostas ainda não descobriram?

— Thomas Weller

Boa pergunta. Penso que esta resposta é concisa e precisa.

— Dima Tisnek

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depende da potência (resistência interna) e da cor do led (Vf), o resistor de 100 ohm deve suportar toda a tensão extra de 24 - 4xVf -4Ir ... Vf ~ 3V para branco, 2V para outra cor. A maioria dos LEDs possui alta resistência, exceto os LEDs de potência, como os da Cree ... Se o Resistor suportar 12V, a potência será de ~ v2 / r 1,5W watt ... adicione mais séries de LEDs.

— mindinho
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Bem-vindo ao EE.SE! Sua resposta é muito difícil de ler e não parece responder efetivamente à pergunta. Reformate sua resposta e verifique se ela responde com precisão à pergunta.

— user2943160